相控阵天线电性能有限元仿真与不确定性分析

摘要

相控阵天线在探测跟踪、远程预警等军事领域具有广阔的应用前景，其电性能优劣直接反应价值高低。不确定性问题广泛地存在于雷达天线工程领域，采用合理的天线电性能不确定性分析方法进行研究对缩短相控阵天线设计周期、提升服役性能及可靠性具有重要意义。本文主要从核心部件T/R组件和阵面变形两个方面开展相控阵天线不确定性分析研究，对T/R组件功放链路进行电磁仿真模型构建，并发展了一种基于降维积分的T/R组件幅相不确定性传播分析方法；量化相控阵天线服役工况风载荷的不确定性，开展了随机风载荷下的天线动态电性能分析。主要工作如下：　　(1)创建了T/R组件功放链路的参数化电磁仿真模型，并针对T/R组件幅相电性能提出一种基于降维积分的不确定性传播分析方法,最后开展了T/R组件稳健性设计。首先，基于微带线传输理论、阻抗匹配原理等理论基础，采用HFSS电磁仿真软件开发了参数化的T/R组件三维电磁仿真模型；其次，采用基于方差分解的Sobol灵敏度分析方法筛选出对T/R组件幅相电性能影响较大的因素；再次，基于单变量降维积分提出了一种T/R组件不确定性传播分析方法，可高效求解得到T/R组件电性能指标的概率密度函数；最后，通过引入灵敏度的附加目标函数从而得到新优化模型，对T/R组件电性能进行了稳健性设计。通过具体工程实例对S波段T/R组件的相位差进行完整的不确定性传播分析和稳健性设计，验证了该方法的有效性。　　(2)对风载荷作用下相控阵天线阵面变形开展动态仿真分析，并提出一种阵面变形下的电性能动态分析方法。首先，建立天线阵面流固耦合仿真模型，并开展考虑风载荷静动态特性的阵面变形动态仿真分析，由此得到相控阵天线各阵元位置动态变形场分布；然后，将阵面变形嵌入至推导出的阵元位置误差天线方向图函数中，以阵面动态变形时的辐射方向图描述服役环境风载荷对相控阵天线电性能的动态影响。本研究内容可为天线时变电性能分析、天线阵面变形优化补偿设计等研究提供有益参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 相控阵天线T/R组件研究概况

1.2.1 T/R组件发展概况

1.2.2 T/R组件研究的关键技术

1.3 相控阵天线阵面变形及其电性能研究概况

1.3.1 相控阵天线阵面变形研究概况

1.3.2 相控阵天线电性能研究概况

1.4 不确定性问题研究概述

1.5 本文研究目标和主要研究内容

第2章 相控阵天线T/R组件的建模仿真

2.1 引言

2.2 T/R组件的结构、原理及性能

2.2.1 T/R组件的功能结构

2.2.2 T/R组件的工作原理

2.2.3 T/R组件的性能要求

2.3微带线传输原理及阻抗匹配

2.4 T/R组件的建模与仿真

2.4.1 Ansoft HFSS简介

2.4.2 T/R组件建模流程

2.4.3 T/R组件仿真方法

2.5本章小结

第3章 T/R组件电性能不确定性分析及稳健性设计

3.1引言

3.2 T/R组件的幅相一致性

3.3 T/R组件电性能不确定性传播分析

3.3.1 基于方差分解的Sobol灵敏度分析

3.2.2基于单变量降维的不确定性分析

3.4 T/R组件电性能的稳健性设计

3.4.1稳健性设计方法概念

3.4.2基于灵敏度的稳健性设计

3.5 工程应用案例

3.5.1 T/R组件功放链路模型构建

3.5.2 T/R组件相位差灵敏度分析

3.5.3 T/R组件相位差不确定性分析

3.5.4 T/R组件相位差稳健性设计

3.6 本章小结

第4章 考虑随机风载荷的相控阵天线电性能动态分析

4.1 引言

4.2 随机风载荷的静动态特性分析

4.3 考虑随机风载的天线阵面动态变形分析

4.3.1 基于ANSYS的流固耦合有限元仿真简介

4.3.2 考虑风载的阵面变形动态仿真分析

4.4 相控阵天线电性能的表征

4.4.1 方向图与增益

4.4.2 方向图乘积定理

4.5 随机风载对天线电性能的动态影响

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术成果

附录B 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢