天線結(jié)構(gòu)位移場與電磁場耦合建模及分析研究.pdf

1、電子裝備作為機(jī)電結(jié)合的系統(tǒng),其機(jī)電耦合問題已成為制約電子裝備性能提高并影響下一代裝備研制的一個瓶頸。本文在多個國家重點項目的支持下,以電子裝備中典型案例-反射面天線和平板裂縫天線為研究對象,針對其在分析與設(shè)計過程中,存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)位移場與電磁場的場耦合問題進(jìn)行了深入研究與探索,主要內(nèi)容包括:
　　 (1)針對反射面天線機(jī)電場耦合問題,綜合考慮結(jié)構(gòu)位移場引起的系統(tǒng)誤差,以及制造和裝配精度帶來的隨機(jī)誤差,針對影響電磁場邊界的主反射面

2、變形、饋源位置和指向誤差等主要誤差,確定其與天線遠(yuǎn)場方向圖的影響關(guān)系,建立反射面天線結(jié)構(gòu)位移場與電磁場的場耦合理論模型。針對反射面天線結(jié)構(gòu)和電磁網(wǎng)格不匹配的問題,采用結(jié)構(gòu)和電磁網(wǎng)格矩陣轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行場耦合模型求解。經(jīng)3.7米Ku頻段卡塞格倫天線變形實驗,驗證了場耦合理論模型的正確性。
　　 (2)為降低反射面天線結(jié)構(gòu)變形對電性能影響,提出一種基于機(jī)電場耦合理論模型的饋源調(diào)整方法。在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計變量不變的情況下,構(gòu)建以饋源位置和指

3、向為設(shè)計變量,以天線電性能為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,彌補機(jī)電分離時饋源調(diào)整方法的不足。與最佳吻合面的饋源調(diào)整方法相比,可有效改善天線電性能。相關(guān)結(jié)論可為工程實踐提供參考。
　　 (3)針對平板裂縫天線機(jī)電場耦合問題,綜合考慮系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,從天線陣面平面度入手,針對影響電磁場邊界的輻射單元(輻射縫)位置偏移、指向偏轉(zhuǎn),以及結(jié)構(gòu)變形引起的縫電壓幅相誤差,確定其與天線遠(yuǎn)場方向圖的影響關(guān)系,建立平板裂縫天線結(jié)構(gòu)位移場與電磁場的

4、場耦合理論模型。給出場耦合模型的順序求解方法,并重點說明縫電壓誤差的計算方法。分別經(jīng)Ku頻段彈載和X頻段機(jī)載平板裂縫天線的實物實驗,驗證了場耦合理論模型的正確性。
　　 (4)就隨機(jī)振動對機(jī)載雷達(dá)天線電性能的影響問題進(jìn)行了研究。首先利用隨機(jī)振動環(huán)境下天線結(jié)構(gòu)響應(yīng)的位移協(xié)方差矩陣,提出天線結(jié)構(gòu)變形的隨機(jī)樣本生成方法,結(jié)合平板裂縫天線機(jī)電場耦合理論模型分析隨機(jī)振動對天線電性能的影響。其次,根據(jù)天線結(jié)構(gòu)響應(yīng)的位移和應(yīng)力分布信息,確定出

5、天線結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,并分析隨機(jī)振動對改進(jìn)模型電性能的影響。數(shù)值結(jié)果表明改進(jìn)模型可有效降低增益損失和指向誤差,可為機(jī)載雷達(dá)天線工程設(shè)計人員提供參考。
　　 (5)針對平板裂縫天線焊接后存在的結(jié)構(gòu)變形對電性能影響問題,應(yīng)用有限元方法和生死單元技術(shù),對天線熱加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析材料物性參數(shù)和溫度曲線與焊接后結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和變形的影響關(guān)系,并結(jié)合機(jī)電場耦合理論模型分析焊接變形對天線電性能的影響。著重討論溫度曲線與焊