相控阵天线的平台布局仿真设计
相控阵天线相位中心的时域全波仿真
[ ] en+1/2
=
en−1/ 2
+
Δt
M
−1 ε
C~ M−μ1bn
+
jnS
bn+1 = bn − Δt C en+1/ 2
在满足 Courant-Friedrichs-Levy (CFL)稳定
性 条 件 Δt ≤
εμ
⎜⎛ ⎝
1 Δx
⎟⎞ 2 ⎠
+
⎜⎜⎝⎛
1 Δy
⎟⎟⎠⎞ 2
+
⎜⎛ ⎝
1 Δz
⎟⎞ 2 ⎠
相控阵天线相位中心的时域全波仿真
王红丽 张敏
（同济大学 电子信息与工程学院）
摘要：采用有限积分技术对有源相控阵进行全波时域仿真，计算其相中心等远场特性。同
时，在 CST 微波工作室®中利用后处理命令对天线阵进行仿真，当天线阵在较小的角度范围
内进行扫描时，全波仿真和后处理合成所得结果都很准确。在较大的扫描角时，采用后处理
坐标变换前
坐标变换后
图 3 625 单元天线阵的 3D 方向图
对于 625 单元有源相控阵，其单元天线 的主瓣方向为+Z 方向，相位中心为（-1.04， -1.55，4.33），均方差为 1.09。当主瓣方向 旋转到 30 度位置时，坐标变换前后所得 3 维方向图如图 3 所示。而且，坐标变换前计 算 所 得 相 位 中 心 为 （ 929.70 ， -315.95 ， -9559.35），均方差 Sigma 的值为 27575.40， 该相位中心是以 Z 轴范围内的电场分量为基 准进行计算的，因而并不是我们需要的主瓣 范围内的相位中心。坐标变换后计算所得的 原坐标系下的相位中心为（14.31，13.32， 34.34），均方差 Sigma 的值为 11.45。可见， 在相控阵的相位中心计算过程中，坐标变换 是非常必要的，而且坐标的变换并不改变其 他的远场信息。
相控阵雷达天线方向图仿真研究
5 结束语
图 2 出现栅瓣的天线方向图
对于相控阵雷达天线方向图的仿真 ,在实现波束扫 描的同时 ,必须消除栅瓣 。通过理论研究和 Matlab 仿 真实验可知 ,天线方向图的栅瓣问题与波长λ、阵元间 距 d 以及波束指向θ0 密切相关 。当波长λ取定以后 , 只 要调整阵元间距 d 使其满足一定的条件 ,天线方向图便 不会出现栅瓣 。
using Matlab [ M ] . New Yo rk : Chap man & Ha H / CRC , 2000 [ 5 ] 梁广德 ,梁百川. 相控阵雷达信号截获与识别的仿真分析 [J ]. 航天电子对抗 ,1999 (3)
F(θ)
=
sin[πλN d ( sinθN sin[πλd ( sinθ-
sinθ0 ) ] sinθ0 ) ]
(4)
由 (4) 式可以看出 :
当
Nπd λ
(
si
nθ-
sinθ0 )
= 0 , ±π, ±2π, …, ±nπ( n
为整数) 时 ,分子为零 ;若分母不为零 ,则有 F(θ) = 0 。 当πλd ( sinθ- sinθ0 ) = 0 , ±π, ±2π, …, ±nπ时 ,式
φ = ψ = λ2πd sinθ0
(3)
式 (3) 表明 ,在θ0 方向 ,各阵元的辐射场之间 , 由于波程 差引起的相位差正好与移相器引入的相位差相抵消 ,结 果各分量同相相加获最大值 。
显然 ,为满足式 (3) 要求只需改变φ值就可改变波 束指向角θ0 ,从而形成波束扫描 。
3 栅瓣问题
将φ与波束指向θ0 之间的关系式 (3) 代入式 (2) 可 以得到
h = gcf ; f name = sp rintf (′N %d - d %f - t heta0 %d. p ng′,
有源相控阵天线结构仿真分析
第３７卷第１期２０２０年１月机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３７Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０２０收稿日期:２０１９－０５－２６基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４９０６６４)作者简介:顾叶青(１９７９－)ꎬ男ꎬ江苏苏州人ꎬ研究员级高级工程师ꎬ主要从事有源相控阵雷达天线结构设计方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１３９１３３６５２６１＠１３９.ｃｏｍＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０２０.０１.０１１有源相控阵天线结构仿真分析∗顾叶青ꎬ孙为民ꎬ余㊀觉(南京电子技术研究所ꎬ江苏南京２１００３９)摘要:针对当前有源相控阵天线设计过程中亟需进行合理的结构力学仿真ꎬ以确保天线的环境适应性要求㊁精度以及刚强度性能的问题ꎬ分别对天线结构力学仿真㊁有限元模型修正和结构优化分析过程进行了分析ꎮ结合舰载㊁机载㊁车载㊁星载等不同雷达天线结构的特点ꎬ阐述了未来雷达天线结构力学仿真的重点在于强冲击㊁振动疲劳㊁动态载荷等作用下的天线刚强度分析ꎬ以及天线系统功能一体化优化设计ꎻ利用两个工程设计案例ꎬ讨论了有限元模型修正以及结构尺寸优化在有源相控阵天线结构设计中的应用效果ꎮ研究结果表明:对有限元模型进行适当的修正ꎬ可显著提高相控阵天线力学仿真的精度ꎻ通过对天线结构进行尺寸优化ꎬ能够在确保天线力学性能的前提下实现轻量化ꎮ关键词:有源相控阵天线ꎻ结构力学仿真ꎻ模型修正ꎻ结构优化中图分类号:ＴＨ１１４ꎻＯ３４２㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０２０)０１－００５９－０５ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａＧＵＹｅ￣ｑｉｎｇꎬＳＵＮＷｅｉ￣ｍｉｎꎬＹＵＪｕｅ(ＮａｎｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００３９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｓａｎｅｓｓｅｎｔｉａｌａｐｐｒｏａｃｈｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙꎬａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎꎬａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅａｎｔｅｎｎａｗｅｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｖｉｅｗｅｄ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ￣ｔｉｃｓｏｆｓｈｉｐｂｏｒｎｅꎬａｉｒｂｏｒｎｅꎬｖｅｈｉｃｌｅ￣ｂｏｒｎｅꎬｓｐａｃｅｂｏｒｎｅꎬａｎｄｍｉｓｓｉｌｅ￣ｂｏｒｎｅａｎｔｅｎｎａｓｗｅｒｅａｌｌｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.Ｉｔｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｆｏ￣ｃｕｓｅｓｌｉｅｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｕｎｄｅｒｓｔｒｏｎｇｉｍｐａｃｔꎬｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ￣ｉｎｇ.Ｔｗｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｚｅｏｐｔｉｍｉ￣ｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍｅｃｈａｎｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙꎬａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃａｎｈｅｌｐｔｏａｃｈｉｅｖｅｌｉｇｈｔｅｒａｎｔｅｎｎａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｅｑｕａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａꎻｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｍｏｄｅｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎꎻｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ０㊀引㊀言随着现代信息战争需求和科技的不断发展ꎬ有源相控阵体制在可靠性㊁隐身性㊁抗干扰能力和多目标攻击能力等方面均有大幅度提升ꎬ已成为现代雷达产品的主流ꎮ有源相控阵天线已越来越多地应用于陆基㊁海基㊁空基㊁以及天基雷达中ꎮ有源相控阵天线内部安装有Ｔ/Ｒ组件㊁子阵组件㊁馈电网络㊁电源等大量电子设备ꎬ与一般反射面天线相比ꎬ其天线结构除承受风载㊁冰雪㊁自重等载荷ꎬ还必须要能够承受安装在其内部的电子设备的重量ꎮ这些设备的重量往往是天线结构自重的数倍ꎬ约占天线阵面总重的２/３ꎮ因此ꎬ这些都对天线结构的刚强度(尤其是动载荷作用下的刚强度)提出了更高的要求[１￣２]ꎮ由于现代有源相控阵天线结构和功能日趋复杂ꎬ成本㊁研制周期等限制条件均会对天线整体结构的试验产生制约ꎮ针对这一问题ꎬ利用以有限元理论为基础的力学仿真技术ꎬ模拟理论模型和大型试验模型已经成为主流的科研手段ꎮ本文将对有源相控阵天线的结构力学仿真㊁有限元模型修正以及结构优化分析过程进行综合评述ꎬ最后针对两个工程案例进行具体讨论ꎮ１㊀天线结构力学仿真分析１.１㊀天线结构仿真的主要内容天线结构的力学仿真计算步骤主要包括:(１)结构模型化(创建天线结构的几何模型以及划分有限元网格)ꎻ(２)施加边界条件(施加约束条件㊁施加载荷条件)ꎻ(３)设置天线结构的材料特性及定义单元属性ꎻ(４)设置分析参数并提交分析ꎻ(５)计算结果的处理等ꎮ天线结构力学仿真的类型主要有: (１)静力学仿真分析ꎮ通过常规的静力计算对天线结构的静态强度进行校核ꎻ(２)动力学仿真分析ꎮ研究时变/频变载荷对天线结构整体或部件力学性能的影响ꎬ分析过程中需考虑阻尼㊁惯性等效应的作用ꎻ(３)屈曲分析ꎮ研究天线结构在特定载荷下的稳定性ꎬ确定天线结构失稳的临界载荷等问题[３]ꎮ对各类天线结构力学性能有限元建模㊁仿真过程进行归纳ꎬ天线结构力学仿真应遵循的准则有: (１)天线结构件的取舍不应改变原有真实受力状况下的传力路径ꎻ(２)单元的选取要能够代表天线结构中相应部位的真实应力状态ꎻ(３)有限元网格的剖分应适应应力梯度的变化ꎬ以保证数值解的收敛ꎻ(４)元素的连接处理应反映节点位移的真实情况(连续或不连续)ꎻ(５)相关元素的参数选取应保证天线结构的刚度等效ꎻ(６)边界约束条件的处理应符合天线结构的真实支撑状态ꎻ(７)质量的堆聚应满足质量㊁质心㊁惯性矩及惯性积的等效要求ꎻ(８)当量阻尼计算应符合能量等价要求ꎻ(９)天线结构中载荷的简化不应跨越主要受力构件ꎮ１.２㊀典型天线结构力学仿真特点典型天线阵面力学仿真图如图１所示ꎮ不同使用环境条件下的雷达产品ꎬ其承受的环境载荷形式各不相同ꎬ进行天线结构力学仿真的侧重点也有所不同ꎬ具体如下:图１㊀典型天线阵面力学仿真(１)舰载有源相控阵天线必须要承受舰上武器系统发射㊁轮机组及水下冲击等引起的振动冲击载荷ꎮ为了避免舰载天线结构发生共振破坏ꎬ要求整个天线阵面装舰后ꎬ其固有频率避开舰体外部干扰力的频率[４]ꎮ同时ꎬ对于舰载相控阵天线ꎬ强冲击环境条件是天线仿真校核的重点ꎻ(２)由于飞机上振动工况居多ꎬ机载雷达天线结构在仿真设计中ꎬ通常要进行动力学分析ꎬ以给出产品在振动载荷作用下的加速度响应和应力响应[５]ꎮ但是ꎬ对于机载雷达天线在振动载荷作用下的疲劳破坏形式㊁破坏机理以及振动疲劳寿命评估ꎬ还需进一步重点关注ꎻ(３)对于车载高机动有源相控阵天线ꎬ在结构力学仿真过程中ꎬ通常需进行风载荷作用下的强度校核ꎮ其中ꎬ天线阵面的风压分布由经验公式获得[６]ꎬ利用有限元软件可仿真计算出天线阵面的应力分布ꎮ但是ꎬ在风载荷动态脉动以及雷达天线转动条件下ꎬ天线阵面的风压分布会发生持续变化ꎬ导致天线阵面根部支耳㊁车体撑腿等连接关键区出现应力幅ꎬ可能导致雷达系统产生结构疲劳ꎮ因此ꎬ动态风载荷仿真是未来车载天线设计校核的重点ꎮ此外ꎬ星载㊁弹载有源相控阵天线ꎬ其体积和重量往往都有严格限制ꎬ天线结构力学仿真是关键环节ꎮ通常有源相控阵天线受内部设备布局的限制ꎬ无法通０６ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３７卷过直接增加天线结构厚度的方法提高天线结构的刚强度ꎮ一个较好的解决方法是巧妙合理地利用阵面内大量的电子设备结构ꎬ通过功能结构一体化设计ꎬ将离散结构设计为连续的阵面骨架受力结构ꎬ从而减轻重量ꎬ增加天线阵面整体或局部的刚强度[７]ꎮ可利用的电功能件包括Ｔ/Ｒ组件㊁电源组件㊁子阵㊁射频馈线网络㊁走线层等ꎻ结构功能件包括冷却水道管网㊁各种形式的导轨结构以及各种走线支架等ꎮ通过天线系统功能结构一体化设计优化和系统仿真技术ꎬ可以减轻天线重量ꎮ２㊀天线结构有限元模型修正２.１㊀模型修正基本理论在对天线结构进行有限元建模分析的过程中ꎬ不仅要对实际天线结构系统进行离散化ꎬ还需要对天线结构的几何特征㊁边界约束条件等作力学上的等效简化ꎮ当结构的形状或受力情况复杂时ꎬ等效简化所得的仿真结果可能与实际结果存在明显差异ꎮ此外ꎬ不同的简化方式往往也会造成完全不同的仿真结果ꎮ因此ꎬ为了提高有限元仿真的精度ꎬ增强仿真结果与真实结果的逼近程度ꎬ有必要对有限元模型进行修正分析[８]ꎮ有限元模型修正是以实际结构试验或工作的响应为目标ꎬ以有限元模型的各种力学特征为修正对象ꎬ以合理的修正理论及修正算法为基础和手段ꎬ以一定的收敛准则为判别标准的系统工程ꎮ有限元模型的物理和力学特征主要包括材料参数㊁连接方式㊁加载方式㊁边界条件和阻尼模式等ꎮ有限元模型修正理论包括有限元误差理论㊁修正变量及其敏感度分析理论ꎬ以及目标函数构建方法ꎮ误差是有限元模型修正的前提ꎬ其主要包括３类: (１)对连续的工程结构进行离散化ꎬ可产生阶次误差ꎬ其随着阶次提高而降低ꎻ(２)建模过程中ꎬ对实际结构进行简化所产生的结构误差ꎮ例如ꎬ在有限元模型中ꎬ忽略圆角导致模型的质量㊁刚度矩阵与实际存在差异ꎻ(３)对非线性的材料属性或边界条件进行常量化或线性化ꎬ导致参数误差[９]ꎮ为了减小误差ꎬ通常选取结构的设计参数ꎬ如密度㊁弹性模量㊁截面积㊁惯性矩等作为修正变量ꎬ对有限元模型进行改进ꎮ在修正过程中ꎬ预先对修正变量进行敏感度分析ꎬ遴选出对结构响应影响较为关键的变量ꎬ可减小计算分析的工作量ꎮ假设结构的响应输出Ｆ满足:Ｆ＝ｆ(ｐ)ꎬｐ＝[ｐ１ꎬｐ２ ｐｎ](１)式中:ｐ ｎ个设计参数组成的向量矩阵ꎻｐ０ 设计参数的初始设计值ꎮ则设计参数对输出响应的敏感度系数矩阵为:Ｓ＝∂ｆ∂ｐｐ＝ｐ０(２)目标函数是描述有限元模型静动特性与试验模型相应特性相关程度的表达式ꎮ有限元模型修正的目标ꎬ就是通过对修正变量进行设计改进ꎬ从而使目标函数的值趋于最小ꎬ实现有限元模型与试验模型的响应吻合ꎮ有限元模型修正流程图如图２所示ꎮ图２㊀有限元模型修正流程图２.２㊀模型修正案例某星载天线子阵面结构如图３所示ꎮ图３㊀某星载天线子阵面结构其尺寸为７００ｍｍˑ４００ｍｍˑ６０ｍｍꎬ主要由辐射单元层㊁复合材料框架层和有源模块层组成ꎮ其中ꎬ复材框架层为天线主受力构件ꎬ辐射单元与有源模块分别安装于框架两侧ꎮ天线子阵面的安装边界条件为左右对称ꎬ共１０个螺栓连接点ꎮ为了确保天线电性能的实现ꎬ本文对阵面结构在动态载荷下的刚强度进行仿真ꎮ利用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件ꎬ建立子阵面有限元模型(图３)ꎮ复合材料蜂窝夹芯板采用壳单元建立ꎬ芯层采用体单元和壳单元共同建立ꎮ蜂窝板和天线单元间有电路板ꎬ采用体单元建立ꎮ安装于蜂窝板上的有源模块ꎬ采用壳单元建立ꎮ利用ＰＡＴＲＡＮ和ＮＡＳＴＲＡＮ软件ꎬ对结构进行ｚ方向的频响分析ꎬ并依次记录下激振频率分别为１０Ｈｚ㊁２０Ｈｚ ８０Ｈｚ条件下ꎬ结构上某测点的加速度响应值ꎮ进一步ꎬ笔者在子阵面冲击试验台中ꎬ利用加速度传感器ꎬ实测激振频率在１０Ｈｚ~８０Ｈｚ条件下该测点的加速度响应ꎮ测点加速度仿真值与试验值对比如表１所示ꎮ１６第１期顾叶青ꎬ等:有源相控阵天线结构仿真分析表１㊀测点加速度仿真值与试验值对比频率/Ｈｚ加速度试验值/(ｍｍ ｓ－２)加速度仿真值/(ｍｍ ｓ－２)模型修正前模型修正后相对偏差/(％)模型修正前模型修正后１０４１２２７.２８４１１８１.６６４１２２７.６５０.１１１０.００１２０６２４５５.７１６２１７０.６９６２４５７.９５０.４５６０.００４３０１６９１６１.１７１６７３２６.２１６９１７４.４０１.０８５０.００８４０１９１２２９.７７１８７２０９.８１９１２５５.１０２.１０２０.０１３５０２２９１３４.９８２２０５５５.８２２９１７８.３０３.７４４０.０１９６０３００９６１.４４２８１１０７.９３０１０２８.２０６.５９７０.０２２７０４７２８９７.１９４１３８６９.５４７２９６３.８０１２.４８２０.０１４８０１１７４１４３.３８８６７２６７.３１１７３８８６.００２６.１３６０.０２２㊀㊀从表１可以看出:仿真与试验测试结果之间存在较为明显的差异ꎬ且随着激励频率的提高ꎬ仿真值与试验值的差距急剧增大ꎬ两者之间的相对偏差最大达到２６.１３６％ꎮ为了提高有限元仿真的精度ꎬ本文对有限元模型进行修正ꎮ定义有限元模型修正的目标函数为ꎬ仿真及试验结果在各个频率点下测点加速度的均方差ꎮ实际分析中ꎬ共选取８个测点ꎬ目标函数如下:Ｙ＝１８ð８ｉ＝１１ｊð８ｊ＝１ａｅｉꎬｊ－ａｓｉꎬｊａｅｉꎬｊæèçöø÷２ð８ｊ＝１１ｊ(３)式中:ｉ 测点编号ꎻｊ 频率点编号ꎻａｅｉꎬｊ 测点ｉ在ｊ频率下的加速度试验值ꎻａｓｉꎬｊ 测点ｉ在ｊ频率下的加速度仿真值ꎮ通过分析ꎬ本文选取了蜂窝材料属性ꎬ以及螺栓刚度分量等８１个参数作为初始修正变量ꎮ进一步ꎬ在敏感度分析的基础上ꎬ将修正变量的个数缩减到３５个ꎮ被忽略的变量主要包括螺栓的侧向抗压刚度㊁抗弯刚度以及剪切刚度ꎮ将修正后的模型再次进行运算ꎬ可得到测点在不同激励频率下的加速度响应(如表１所示)ꎮ显然ꎬ此时修正模型与试验模型的响应效果吻合度非常好ꎬ仿真值与试验值的相对偏差最大不超过０.０２２％ꎮ可见ꎬ相比模型修正前ꎬ有限元仿真的精度提升达１１８８倍ꎮ３㊀天线结构优化分析３.１㊀结构优化基本理论理想的雷达天线结构设计ꎬ需满足刚强度指标ꎬ符合结构轻薄化㊁成本低廉㊁可靠性好等优点ꎮ随着有限元法和数学规划理论的发展ꎬ使人们不仅有了强大的结构分析工具软件ꎬ还有了一套系统的优化设计方法[１０]ꎮ从设计对象和变量的特点来看ꎬ结构优化设计可分为３个层次:(１)尺寸优化ꎮ是在确定的形状下ꎬ对构件的截面㊁性质等进行优化ꎬ其设计变量通常为截面尺寸㊁截面积㊁惯性矩等ꎻ(２)形状优化ꎮ主要用来确定结构的边界或内部的几何形状ꎬ达到改善结构的受力状况和应力分布ꎬ降低局部区域应力集中的目的ꎻ(３)拓扑优化ꎮ一般旨在寻求结构刚度在设计空间最佳的分布形式ꎬ或结构最佳的传力形式ꎮ工程中的大多数优化问题属于带约束条件的非线性数学规划问题ꎮ非线性规划问题的求解方法大致分为３类:(１)可行方向法ꎮ从可行点出发ꎬ每次迭代都沿着下降的方向进行搜索ꎬ从而求出目标函数值下降的新可行点ꎻ(２)罚函数法ꎮ根据约束函数和目标函数ꎬ构造具有惩罚效果的目标函数序列ꎬ从而将约束问题转化为无约束问题ꎬ逐渐逼近优化问题的最优解ꎻ(３)基于序列近似的思想ꎬ可将原目标函数的求解转化为对序列子问题的优化求解ꎮ例如ꎬ对目标函数进行二次泰勒展开ꎬ并将约束条件线性化ꎬ将原非线性数学规划问题转化为二次规划问题ꎮ近年来ꎬ通过模拟生物行为或自然现象ꎬ形成了一系列具有自组织性㊁自适应性的智能优化算法ꎬ如遗传算法㊁模拟退火算法㊁蚁群算法和粒子群算法等ꎬ为求解复杂的工程优化设计问题提供了新的技术手段ꎮ３.２㊀结构优化案例本文结合某工程实例进行具体详细的说明ꎮ某天线系统骨架结构如图４所示ꎮ图４㊀某天线系统骨架结构图４中ꎬ该天线要求在保证雷达阵面精度的情况下ꎬ使天线阵面尽量实现轻量化ꎬ需要对天线结构进行２６ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３７卷尺寸优化ꎮ因此ꎬ建立该天线结构的有限元模型ꎮ优化设计的主要目标为天线舱骨架的重量ꎮ优化的约束条件为ꎬ天线阵面在２５ｍ/ｓ风速的正风载荷作用下ꎬ不考虑结构自重ꎬ阵面最大变形量ɤ８ｍｍꎮ定义优化模型的各个要素如下:(１)设计变量为每层天线舱骨架钢梁的截面尺寸ꎬ梁宽Ｗꎬ梁高Ｈ和厚度Ｔ(Ｔ＝ｔ１＝ｔ２)ꎬ截面梁有１２个品种ꎬ共３６个设计变量ꎬ变量的优化范围为其初始值的ʃ６０％ꎻ(２)目标函数为天线舱骨架重量(Ｗｅｉｇｈｔ)ꎻ(３)设计约束条件为天线阵面在目标正风载荷作用下的最大容许变形量(８ｍｍ)ꎮ通过仿真分析ꎬ本文得到前１８个敏感度影响因子如图５所示ꎮ图５㊀前１８个敏感度影响因子天线阵面重量迭代优化过程如图６所示ꎮ图６㊀天线阵面重量迭代优化过程根据最终结果可知:优化后骨架重量为３２０ｔꎬ相对初始状态减重达到１２０ｔꎬ结构重量减轻了２７.３％ꎬ结构优化效果显著ꎮ４㊀结束语本文对有源相控阵天线的结构力学仿真㊁有限元模型修正ꎬ以及结构优化分析过程进行了综合评述ꎻ针对不同形式的雷达产品ꎬ分别阐述了其进行力学结构仿真的特点ꎬ和需要重点关注的问题ꎮ具体有:(１)舰载雷达天线结构仿真ꎮ未来的研究重点在于强冲击环境下的力学性能校核ꎻ(２)机载天线力学仿真ꎮ需要重点关注振动载荷作用下的疲劳仿真ꎻ(３)考虑到车载天线的服役环境ꎬ其力学仿真应当主要关注动态风载荷条件下的强度校核ꎻ(４)受制于体积和重量的约束ꎬ星载和弹载雷达结构仿真未来的关注点则在于系统功能结构一体化优化设计ꎮ最后ꎬ本文针对两个工程案例进行了详细讨论ꎬ利用有限元模型修正ꎬ使某星载天线子阵面结构仿真的精度最高提升达１１８８倍ꎻ而通过对某地面雷达天线做尺寸优化ꎬ可使其在确保刚强度性能的条件下ꎬ结构减重达２７.３％ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):[１]㊀唐宝富ꎬ钟剑锋ꎬ顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计[Ｍ].西安:西安电子科技大学出版社ꎬ２０１６.[２]㊀杨㊀静ꎬ王志海.某车载雷达天线骨架结构优化设计[Ｊ].电子机械工程ꎬ２０１５ꎬ３１(２):５２￣５８.[３]㊀龙㊀凯ꎬ贾长治ꎬ李宝峰.Ｐａｔｒａｎ２０１０与Ｎａｓｔｒａｎ２０１０有限元分析从入门到精通[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１１.[４]㊀方㊀同ꎬ薛㊀璞.振动理论及应用[Ｍ].西安:西北工业大学出版社ꎬ１９９８.[５]㊀郭先松ꎬ孔令兵ꎬ刘小飞.机载预警雷达天线发展趋势及关键技术[Ｊ].现代雷达ꎬ２０１５ꎬ３７(１２):１９￣２４.[６]㊀王春圆.巨型射电望远镜风荷载特性的数值模拟研究[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学机电工程学院ꎬ２０１２.[７]㊀曾天俊.军民两用雷达天线薄壁件关键制造技术路径研究[Ｊ].机电信息ꎬ２０１５(３６):１１２￣１１４.[８]㊀杨玉霞ꎬ李艳钰.基于贝叶斯方法的收割机发动机盖有限元模型修正[Ｊ].农业化研究ꎬ２０１９(９):２５０￣２６０.[９]㊀张㊀欣ꎬ于㊀澜ꎬ张㊀淼.数学规划法在有限元模型修正中的应用[Ｊ].长春工程学院学报ꎬ２０１８ꎬ１９(４):１１９￣１２４.[１０]㊀胡㊀峰ꎬ王志海.基于优化驱动法的雷达天线结构设计与仿真优化[Ｊ].机械工程与自动化ꎬ２０１５(３):４０￣４２[编辑:程㊀浩]本文引用格式:顾叶青ꎬ孙为民ꎬ余㊀觉.有源相控阵天线结构仿真分析[Ｊ].机电工程ꎬ２０２０ꎬ３７(１):５９－６３.ＧＵＹｅ￣ｑｉｎｇꎬＳＵＮＷｅｉ￣ｍｉｎꎬＹＵＪｕｅ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２０ꎬ３７(１):５９－６３.«机电工程»杂志:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｍｅｅｍ.ｃｏｍ.ｃｎ３６ 第１期顾叶青ꎬ等:有源相控阵天线结构仿真分析。
一种新型宽带相控阵列天线的模拟
一种新型宽带相控阵列天线的模拟尤佳庆，杨仕文，夏腾飞电子科技大学电子工程学院，成都（610054）E-mail: yuantaoyou@摘要：本文介绍了一种新型的超宽带印刷偶极子相控阵列天线的设计.通过在天线单元间引入电磁紧耦合来进一步拓宽天线阵的频带宽度.此外,在馈电网络方天线面采用结构简单的小型超宽带阻抗变换巴伦对偶极子单元进行馈电.并利用电磁仿真软件HFSS对所设计的阵进行仿真.在天线阵元间有效的引入电磁耦合后,天线的阻抗带宽可达4～18GHz〔VSWR＜2.5).关键词：超宽带；巴伦；印刷偶极子天线1．引言随着现代军事技术的快速发展，各种雷达系统常常对其天线或天线阵提出宽频带、高增益、低副瓣或超低副瓣、低交叉极化分量等严格的要求。
这些对天线特性参量的严格要求往往又对天线的设计方法、结构精度、馈电网络的电特性、容差等提出更为苛刻的，有时甚至是不能实现的要求。
目前的宽带相控阵技术都要通过划分子阵、应用光调制和解调以及光纤延迟线来实现，设备量大，技术复杂，制造成本高，也不便于调试和维护。
近几年来，在天线领域出现了一些基于新的物理机理的新概念天线，例如，时间调制天线，基于电磁耦合的超宽带相控阵天线等等。
基于电磁耦合的超宽带相控阵可具有多个倍频以上的超宽带特性，且宽带宽角扫描特性好。
因此，有必要对其开展研究，以实现更高性能的天线技术指标，更好的满足日益增长的军事需求。
本文研究并分析了一种采用宽长方形作为偶极子臂的双面印刷偶极子天线，我们通过在各阵元间引入一定量的电磁耦合来拓宽天线阵的频带宽度，同时结合宽角匹配技术来改善天线阵的扫描特性，以达到进一步拓宽天线阵频带宽度的目的。
利用电磁商用软件HFSS的周期性边界对该天线在无限大阵列环境中进行了仿真。
结果表明，该相控阵天线阻抗带宽可达4～18GHz〔VSWR＜2.5〕，E面扫描角范围可达到±45°。
2．设计原理利用电磁耦合来拓宽天线阵频带宽度的设计思想起源于对频率选择表面的研究。
相控阵天线方向图推导及仿真
相控阵天线方向推导及仿真1、推导线阵天线方向图公式一个接收线阵，由等间距为d 的N 个各向同性单元组成，那么在θ方向，相邻单元接收信号的相位差为Ф=2πdλsinθ，线阵排列情况如图1所示。
图1 线阵排列示意图因为天线辐射方向图可以由天线上各种各样电流源辐射的单独贡献进行矢量叠加而得出，故各单元电压和为：E a =sin (ωt )+sin (ωt +ϕ)+sin (ωt +2ϕ)+⋯+sin[ωt +(N −1)ϕ]将等式两边同时乘以2sin(ϕ2)，根据积化和差、和差化积等相关数学公式，可得到如下公式：2sin (ϕ2)E a =cos (ωt −ϕ2)−cos (ωt +ϕ2)+cos (ωt +ϕ2)−cos (ωt −32ϕ)+⋯+cos (ωt +2N −32ϕ)−cos(ωt +2N −12ϕ)整理得，2sin (ϕ2)E a =cos (ωt −ϕ2)−cos (ωt +2N−12ϕ)=2sin(ωt +N −12ϕ)sin(N2ϕ) 最终得到场强方向图，E a =sin[ωt +(N −1)ϕ2⁄]sin(Nϕ2⁄)sin(ϕ2⁄)平方归一化后，得到辐射方向图（阵列因子）：|G a (θ)|=sin 2[Nπ(dλ)sinθ]N 2sin 2[π(dλ)sinθ]上式中，当(dλ)sinθ=0,±1,±2,···±n 时|G a (θ)|取得相等的最大值，但是我们只期望看到(dλ)sinθ=0的情况，取其他值产生的栅瓣是我们所不想见到的，为避免这种情况，特令d <λ。
前面的公式中认定主瓣指向为0°，当主瓣指向θ0方向时，则各向同性单元线阵的归一化辐射方向图为：G (θ)=sin 2[Nπ(dλ)(sinθ−sinθ0)]N 2sin 2[π(d λ)(sinθ−sinθ0)]此时，由于−2≤sin (θ)−sin (θ0)≤2，故防止产生栅瓣的条件为d <λ2⁄。
相控阵雷达天线模型及仿真
相控阵雷达天线模型及仿真邱丽原【摘要】The importance and the main difficulty of simulation of phased array antenna were given. And a modeling and simulating method was proposed. This method used array factor, directional factor and sidelobe suppression factor to re-spectively resolve the problems of beam configurations, antenna gain and the sidelobe and its change of directional dia-gram, and then synthesized. The simulation model after synthesizing was given. This simulation model ensured the theoreti-cal precision, optimized and reduced the steps and quantities of simulating calculations. Using the simulation model, a sim-ulation calculation instance of the radar antenna of AN/SPY-1D of Aegis system was given.%阐述了相控阵天线仿真的重要性，指出了相控阵天线仿真的主要困难。
提出了一种利用阵因子、方向性因子和旁瓣抑制因子分别解决仿真波束形状、天线增益、方向图旁瓣及其变化等3大问题，并进行综合建模和仿真，给出了综合后的仿真模型。
有源相控阵天线测试通用平台设计与实现
!计算机测量与控制!"#""!$#!%"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!#"#!#收稿日期 "#""#&&'$!修回日期"#""#$#'%作者简介 乔淑君!&''&"&女&山东菏泽人&硕士研究生&工程师&主要从事天线微波测试技术及测试系统方向的研究%引用格式 乔淑君&李晓峰!有源相控阵天线测试通用平台设计与实现(+)!计算机测量与控制&"#""&$#!%"*"#".&$(!文章编号 &-%&(.', "#"" #%##"##-!!/01 &#!&-."- 2!3456!&&7(%-" 89!"#""!#%!##$!!中图分类号 :;"文献标识码 <有源相控阵天线测试通用平台设计与实现乔淑君 李晓峰!南京电子技术研究所&南京!"&##$'"摘要 有源相控阵天线在完成装配之后要进行功能和性能测试&整个过程繁琐'复杂&并且不同架构的天线有不同的测试方法&现阶段天线测试系统多属于定制化研制$针对不同架构天线&提出通用化'标准化的测试硬件和构件化'模块化的软件平台&并基于某型雷达天线做了应用验证$结果表明天线测试通用平台相比于传统测试平台&测试精度基本一致&系统集成速度提升-'`&软件复用率提升.#`&开发人员能够快速'准确集成天线测试系统&使用人员能够使用标准天线测试流程提升测试效率&对有源相控雷达的研制具有重要意义%关键词 有源相控阵$天线测试$通用$硬件平台$软件平台8'+4J ,*,=2'*.4N *&4","60','(*.L '+&F .*&6"(#6"(F 7*+'=1((*@1,&',,*g 1<0A I J 2J 4&a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`&O 4P 8I E M L T 8Z O N E N E J M E N O 8E 6M 643N E O M E P[S .#`!:I E F E 4E N O K O 48E 44O 8E M 89K O 8T L N X6M L T F N E O 8M 6F 46T 63O 43E T L N P E R E K L 9E N M 8L W J 635K S O 4PO 33J N O 8E K S 648E F N O 8E 8I E O 48E 44O 8E M 8M S M 8E X &8I E M 8O 4P O N PO 48E 44O 8E M 89N L 3E P J N E M O N EJ M E P 8L 6X 9N L R E 8E M 8E T T 636E 43S T L N 8I E P E R E K L 9X E 48L T O 386R E 9I O M E PO N N O S NO P O N M !'@5"(=+*O 386R E 9I O M E PO N N O S $O 48E 44O 8E M 8$F E 4E N O K $I O N P Z O N E 9K O 8T L N X $M L T 8Z O N E 9K O 8T L N X A !引言有源相控阵雷达是采用有源相控阵天线的雷达&特点是天线无需转动&通过多个天线单元的幅度'相位调整&实现天线波束快速扫描和形状捷变%有源相控阵雷达架构包括模拟有源'子阵级数字化'单元级数字化(&)%模拟有源相控阵天线单元通道中设置发射-接收组件!:-C 组件"&将发射机'接收机'移相器和衰减器等有源部件集成在一起(")%随着电子技术的高速发展&相控阵天线开始数字化趋势&不再含有移相器&将接收机前移&出现数字波束形成技术&具有更大的动态范围'同时多波束'较低副瓣和损耗'高抗扰能力等优点($)%单元级数字化是在天线阵元级实现数字波束形成&子阵级数字化是将有源相控阵分为几个子阵&按子阵进行数字化波束形成((.)%子阵数字化相控阵工作原理可以体现模拟阵和数字阵的工作原理&每个子阵内的天线单元是模拟阵元&与传统的模拟阵一样&配有模拟移相器&通过改变相位实现波束合成%这种技术成熟稳定&并且采用模拟延迟线对信号在时间上产生延时&解决孔径效应&可以实现真正宽带信号的发射和接收&用于雷达一维距离成像'雷达跟踪模式等(-)%每个子阵合成的模拟波束在子阵级数字接收机进行</采样转换为数字信号&多个子阵的数字信号形成自适应的数字波束(%)&实现灵活的窄带搜索%该架构是数字和模拟的混合模式&兼具模拟阵宽带'成本低&以及数字阵自适应'多波束'低副瓣等优点%子阵数字化相控阵接收波束合成原理是子阵内每个阵元接收信号后经过:-C 组件幅度相位加权后合成模拟波束&模拟波束在阵面级再经过馈电网络进行二级或者三级的和波束'方位差波束'俯仰差波束!简称和差差波束"合成&模拟接收波束有窄带和宽带&根据不同功能选择不同模式%数字接收波束合成是子阵合成模拟波束后经过数字接收机转化为数字输出&阵面的波束方向图是数字波束形成&每个子阵波束方向图乘以加权系数合成自适应波束&多组权向量还可以实现同时多波束%子阵数字化相控阵发射波束合成原理类似模拟相控阵&经过多级功分和放大&在天线单元辐射出去%有源相控阵天线在完成装配之后要进行功能测试'性能的评估和验证&这里天线包括天线罩'天线阵列'结构骨架和高频箱!包含:-C 组件'综合网络'阵面电源!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第%期乔淑君&等*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""有源相控阵天线测试通用平台设计与实现#"&!#等"(,)%整个天线测试验证过程繁琐'复杂&并且根据不同架构的天线有不同的测试方法&模拟相控阵天线测试核心是依靠矢量网络分析仪!简称矢网"&实现收'发同频射频信号的测试$单元数字化相控阵天线由于发射激励源是自身直接数字频率合成!//A "&接收信号是经过中频<-/采样的数字信号&需要搭建测试设备实现同步相参和数字信号接收(')$子阵数字化相控阵天线可以当成模拟和数字天线的混合模式&要分别进行模拟部分和数字部分的测试%现阶段很多学者研究了有源相控阵天线测试方法和测试系统(&#&$)&本文主要是针对不同架构天线&提出一种通用化'标准化的天线测试平台*硬件平台研制通用设备满足不同雷达电讯接口$软件平台设计标准测试流程形成构件适配不同测试功能%通用平台主要包括测试计算机'多功能控制模块'综合频率源'阵面数据分析仪'矢网'电源单元'网络接收机以及功率放大器'低噪声放大器'射频电缆等其他测试附件%图&简单示意了子阵数字化天线接收测试状态&模拟接收测试由矢网一个端口做源经过探头辐射信号给天线阵面&接收信号送至矢网另一个端口%数字接收测试由综合频率源提供时钟和本振&下行数据送至阵面数据分析仪%测试计算机上运行的测试软件读取矢网数据和阵面数据分析仪数据&进行数据分析'显示和存储%图&!天线接收测试示意图B !关键硬件模块设计B C B !多功能控制模块在天线测试通用平台中&我们把天线作为单独的被测件&提供多功能控制模块%该模块是天线测试平台的+大脑,&其功能类似于雷达中的阵面控制分系统&实现天线控制信号'定时信号的仿真%雷达控制系统是针对当前雷达定制研发的控制模块&电信号是常用的控制信号&通常是时钟'数据'定时脉冲等多路差分信号&能够产生控制时序和电平或者脉冲定时信号%现阶段随着光纤技术的飞速发展&越来越多的雷达利用光纤产生控制定时信号&能够提升传送速率和准确率%不论是电信号还是光信号&为提升软件稳定性&雷达研制都是定制化设计雷达控制系统&匹配当前雷达%而针对不同雷达的控制需求&多功能控制模块设计时充分考虑天线测试通用平台通用化需求&硬件接口设计时确保该模块可以通过电连接器输出电信号&也可以通过光纤接口输出光定时信号%多功能控制模块!图""内部连接一组可以存储.&"@字节的存储器&存储多路定时'控制波形数据&根据要求在电接口输出特定10!输入-输出"时序或者在光接口输出控制指令定时数据%10接口包括'-路静态10和-(路动态时序10&满足不同需求%光定时接口满足&"路收发&速率最高为,*>&向下兼容多种速率%软件接口设计时&在];*<编程中加入关键参数编辑功能&实现控制指令和定时信号在软件层面可编辑&灵活的输出不同的控制协议和时序%图"!多功能控制模块原理框图除了控制定时信号产生外&该模块还有另一个针对提升测试效率设计的核心功能*实现多任务参数的存储%多任务测试前需要把多个频率'波束指向等任务信息预先存储&在近场测试时受到探头到位外触发后&依次发送出去(&()%外触发则采用脉冲触发模式&并且由于触发信号容易受到干扰&加入了脉冲宽度检测和干扰毛刺宽度检测的功能%毛刺宽度检测阈值为脉冲宽度的#=&倍%B C D !综合频率源对于模拟相控阵天线&相参同频射频信号的测试使用一台矢量网络分析仪即可&不需要提供额外的频率源%对于数字相控阵天线&要提供整个天线测试系统和被测天线的时钟信号'本振信号和接收测试激励信号%天线测试通用平台包含一台综合频率源!图$"&能够产生三通道独立的"##@H \"&.*H \宽频正弦波信号&以及一路频率可选的点频信号&覆盖常用的&##@H \'"##@H \等时钟频率%;Q 控制单元采用嵌入式<C @控制器作为?;Q 核心器件&主要实现功能模块的控制'本地控制的参数设置'远程控制的参数设置'设备状态的上报等%数字接收测试时一个重要的问题是信号的同步和相参%天线阵面不同子阵之间的同步由阵面自身保证&测试时不同时刻采集的信号相参由测试系统保证%方法之一是利用监测:-C 组件&该组件是特殊的数字:-C 组件&可以保证不同时刻测试都有一个同步相参的参考通道作为基准%为降低成本&天线测试通用平台不包括监测:-C 组件&对频率源提出新需求&要求频率源直接保证每次设置都会输出!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$#""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#""!#图$!综合频率源原理框图同一初始相位%综合频率源在输出宽频信号时采用锁相环锁相方式合成&保证相同的初始相位%点频信号源采用多个晶振倍频的方案设计&低成本实现多种频率%综合频率源具有以太网和同步串口!C A ("""的远程控制功能&网口是利用Q /;协议输出三路信号频率&C A (""接口用于多任务测试需求%该控制方式包含(对C A (""差分接口&分别是换频脉冲'数据'时钟和使能信号&在天线测试通用平台内部受多功能控制模块的特定10时序控制&多任务测试过程中依次输出不同的频率点%频率源的跳频时间小于"##!M %B C E !阵面数据分析仪数字相控阵天线下行信号是经过中频采样后的1g 数据&通用仪表不能直接测量%阵面数据分析仪是天线测试通用平台的数据记录模块&放置(个接收光模块&实现'-路A )C /)A 数据的接收&实现多路数据的接收&能够覆盖多路数字信号的测试场景%阵面数据分析仪!图("采用两级];*<架构设计&第一级采用"片B %];*<&合成%"路光纤数据&第二级采用&片B .];*<&内嵌;L Z E N ;?处理器&可以实现B %];*<的逻辑加载'配置参数加载'测试数据外发等功能%图(!阵面数据分析仪原理框图相比于雷达数字波束形成!/>]"&阵面数据分析仪重点在于功能通用性&强调对于天线原始数据的获取和处理%设计过程充分考虑通用化配置&例如*可以选择输入光纤的位置和数量'设置光纤速率'指定某个光纤通道为测试参考通道'配置测试数据报文格式'波束合成数据抽取和处理等%这些信息都可以通过B .];*<实现参数预先加载&适配不同的雷达天线%阵面数据分析仪功能主要是*天线原始数据处理功能'天线状态监测数据处理功能和波束合成功能%原始数据是按照配置参数中数据抽取规则选取数据点通过B .];*<网口输出&后续数据处理可以在上位机软件中实现%天线状态监测数据主要是阵面自检数据&也可以直接通过网络接口输出%波束合成数据是在阵面数据分析仪内部经过通道的矢量和运算后再进行]]:数据处理&最终可以将合成后的少量数据点送出&效率较高%D !软件平台设计测试软件是完成用户信息交互'测试流程调度'测试硬件对接'测试数据显示的平台%天线测试通用平台在软件开发过程中利用构件尽可能实现通用化&减少代码重复开发(&.)%对不同的被测天线&通过调用通用构件和专用构件&快速完成测试流程代码开发和调试%开发环境为g 8&代码执行效率高&绘图功能简单(&-)%测试系统软件采用软件架构与测试流程分离的设计思想&每个被测件的测试流程是一个独立的动态库&最大限度地保障测试系统软件的稳定性&并且测试流程形成动态库可以有效的软件复用&不断积累不同测试方法库(&%)%软件复用技术是充分利用过去系统开发中积累的知识经验&能够有效降低软件开发时间'人力和成本&已成为软件开发主流方式%传统测试软件是针对某型天线测试定制化开发代码&对于不同的测试需求开发特定的测试流程&优点是代码架构简单'没有冗余&但是不同的天线测试需求采用+从零开始,的软件开发模式&只有少量的函数级别的代码复用%本文设计的软件将功能模块以构件形式开发&针对文中的天线测试通用硬件平台&可复用构件包含图.中的硬件资源驱动库'构件库&是支持软件复用的关键技术&大大提升了软件复用率%经统计&传统测试软件在函数级的复用大概在"#`左右&而通用软件平台针对特定测试仪器型号的通用硬件平台&仪表驱动库和控制协议配置构件等构件库功能独立'可直接复用&测试流程针对不同的测试需求要重新开发'修改&但是有函数级别的复用&粗略统计软件复用率在%#`左右%另外&文中讨论的软件复用率统计范围是对于能够使用本文设计的天线测试通用硬件平台测试的相控阵天线%D C B !软件总体结构测试软件界面是用户交互的接口&执行用户指令%软件设计按照通用功能模块构件化&测试流程通用化加定制化&硬件资源按资源库管理的模式%常用的测试流程'构件库和硬件资源如图.所示%软件总体结构第一层是硬件平台资源通过开发底层控制指令形成驱动库&同一硬件资源不同型号统一软件接口&软件开发时针对不同型号实现驱动的直接替换%第二层是软件平台的构件库&包括针对硬件驱动的控制构件&控制协议的配置构件&数据存储显示构件等&将软件平台中通!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第%期乔淑君&等*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""有源相控阵天线测试通用平台设计与实现#"$!#用的功能形成构件&专用的功能也以构件方式开发&可以针对不同的需求进行构件增加裁剪%第三层是针对具体天线测试需求开发的测试流程&测试流程按照天线测试功能需求分类&在通用流程基础上支持定制化开发&通常不同的需求需要反复调试测试%顶层是人机接口&提供参数输入和数据显示界面&操作简单%图.!软件总体结构框图测试流程动态库和构件库都是以=P K K 控件形式存在&在软件平台中动态加载'管理和释放%动态加载'释放动态库的主要代码如下所示*g a 6[N O N S K 6[!l !P K K l "$--加载动态库6T !0K 6[!K L O P !"".g@E M M O F E >L f **O [L J 8!8I 6M &?A 8N 64F ]L N X O 8!l 天线测试平台l "&A 8N 64F ]L N X O 8!l 加载失败l ""$N E 8J N 4$18S 9E P E T R L 6P !#/K F A I L Z "!"$--声明调用的功能函数/K F A I L ZP K FM I L Zm !/K FA I L Z "K 6[!N E M L K R E !l M I L Z l "$P K FM I L Z #$--功能函数调用K 6[!J 4K L O P 0$--释放动态库仪表编程基于D 1B 1A <-B 1A <$"B 6N 8J O K14M 8N J X E 48A L T 8Z O N E<N 3I 68E 38J N E "&支持*;1>及a <D 通信%D 17B 17A <-B 1A <$"是美国国家仪器D 1公司开发的一种与各种仪器总线交互的高级应用编程接口%不受平台'总线'环境等限制&是虚拟仪器系统接口软件%B 1A <编程驱动结构如图-所示%1B 1引擎指的是可互换虚拟仪器&定义通用的仪器驱动图-!B 1A <编程驱动结构图函数&对不同厂家仪器实现在线互换%典型代码如下*R 609E 4/E T O J K 8C @!k 4A E M M 6L 4"$R 609E 4!4A E M M 6L 4&+*;1>*$*1D A :C ,&B 1/D Q a a &B 1/D Q a a &kH O 4P K E 1/"$--仪器打开函数R 6?K L M E !H O 4P K E 1/"$--仪器关闭函数D C D !主要功能模块"="=&!产品信息配置功能针对不同的被测阵面&开放信息配置功能&由于不同阵面只需配置一次&并且参数相对固定&因此利用U @a 文件配置%主要参数包括*阵面通道数'阵面子阵数'阵元行间距'阵元列间距'阵元行数'阵元列数'阵面架构!模拟阵'单元数字化'子阵数字化"'极化模式'校准通道等%测试过程直接调用U @a 文件获得各项参数值&避免不同被测阵面测试流程针对该部分代码的重复修改%"="="!参数协议编辑功能通用平台控制是由多功能控制模块实现&软件重要的一项功能是提供该模块协议编辑&开发者或用户可以编辑阵面控制参数和定时参数的值&用于天线上行控制链路不同工作模式的调试或者测试流程调用%该功能以表格形式展现&方便用户编辑%"="=$!数据存储显示功能被测数据在软件界面上合理'直观的布局和显示&能够帮助用户实时了解测试情况&以做出测试异常及时中断等行为%通道测试数据用表格形式展示&方向图测试数据用波形图形式显示波瓣曲线!图%"%数据存储按照固定的格式保存在数据库中&按照测试项目建立表格%"="=(!测试硬件管理功能该功能模块是针对天线测试通用平台硬件资源的管理设计&包括多功能控制模块'通用频率源和阵面数据分析仪的接口管理&以及测试仪表的管理!表&"%测试仪表主要是矢网和电源单元&软件构件库包含常用仪表类型&例如美国是德'德国罗德施瓦茨'中国思仪几款矢网型号%"="=.!用户管理功能测试软件平台提供多级用户管理&每级用户有不同的!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$#""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#"(!#图%!近场测试界面权限&可以提供超级管理员'软件开发人员'测试人员'数据查阅人员等不同的用户权限&例如超级管理员享有最高权限&可以修改平台代码'数据库等$软件开发人员享有较高权限&可以增加修改测试流程代码*测试人员享有一般权限&能够使用测试软件进行实际测试$数据查阅人员享有最低权限&只能浏览软件平台和测试数据%用户多级管理能够确保测试系统软件组成完整性和安全性%表&!测试硬件管理1/硬件资源型号接口类型接口是否在线1/&多功能控制模块自研D ):&'"!&-,!f f !f f 是1/"多通道频率源自研D ):&'"!&-,!f f !f f 是1/$阵面数据分析仪自研D ):&'"!&-,!f f !f f 是1/(矢网^E S M 6FI 8D .""(<D ):&'"!&-,!f f !f f 否1/.矢网思仪<B $-%">*;1>&-是D CE !天线测试流程设计装配好的天线测试过程一般包括通道排故测试'通道校准测试和波瓣性能测试%软件平台在测试流程设计中将通用流程固态化&相关阵面参数'控制参数'测试延时等参数可配置%"=$=&!通道排故流程设计查看阵面好坏通常的做法是通过内监测挨个遍历:-C 组件&对阵面控制'各有源器件'射频链路等完成功能测试%模拟链路测试利用矢网&天线阵面接收测试时&矢网一个端口作为源通过稳相电缆发射信号至阵面内定标链路总输入口&总输出口通过电缆接至矢网另一个端口$发射测试时&链路相反&矢网一个端口提供相参的激励信号&阵面发射&矢网另一个端口接收%测试时挨个打开每个:-C 组件每个通道&并且控制不同的移相码'衰减码'延时码&检查每个通道的移相器功能%模拟链路测试完成所有:-C 组件及链路的功能检查&确保天线单元幅相加权合成波束%数字相控阵的数字接收链路是利用阵面数据分析仪对下行1-g 采用数据分析完成测试%流程图如图,所示%"=$="!通道校准流程设计相控阵天线每个通道都包含若干微波器件&通道之间图,!通道排故流程初始的幅相不一致会影响天线合成波束的性能%因此&经过天线幅相测试排故后&幅相校准也很重要%直接利用内定标射频链路的方法适用于精度要求较低的幅相校准&没有考虑到阵元互耦影响%现有天线阵面幅相校准也会利用中场校准或近场校准(&,)%中场接收校准时测试系统通过探头发射信号&阵面各接收通道依次打开&得到接收通道的幅相数据&发射校准时阵面各个通道发射信号&中场探头接收信号后送到测试系统&得到发射通道的幅相数据%中场探头相对于阵面的位置是经过光学方式严格标定&因此可以计算出不同通道到探头的路程差引起的幅度'相位误差&测试的幅相数据减去幅相误差可以得到幅相校准时的各个通道幅度'相位数据%发射校准测试流程相似&没有衰减置位%中场校准较近场校准操作简单'效率高&但是依靠光学标定和计算会引来测试误差&近场校准是在近场测试环境下&利用扫描架等装备依次移动探头到每个通道前方&控制当前通道打开&其他通道关闭&获得通道初始幅相值%近场受环境影响小'测试精度较高%测试流程与中场相同&多了探头移动的过程%阵面参考基准幅度的选择有多种方法&其中之一是全阵面通道幅度值平均值再减去一个参考值%参考基准相位可以为任意值&所有通道向参考值校准即可%流程图如图'所示%"=$=$!波瓣性能测试流程设计阵面完成校准后方向图性能测试前&可以通过中场扫瓣快速检查阵面波束形成情况%阵面波束按照俯仰角和方位角依次控制在不同角度&获得的幅度相位按照角度绘制出变化趋势&粗略表现出阵面的方位'俯仰法向波束情况%经过上述一系列功能检查和测试后&要进行天线阵面性能测试%方向图测试是获得天线阵面性能最常用的方法&有远场'中场和近场测试方法(&')%室内暗室近场测试具有不受天气因素影响'节省场地的优点("#)%近场测试系统包括伺服扫描架分系统'测试系统和微波暗室&扫描架接有近场探头&在移动过程发射或者接收信号完成阵面接收或发射平面近场测试&通过计算得到方向图%流程图如图&#所示%模拟阵面接收测试核心仪器是矢网&四通道矢网可以!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. 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CST-偶极子相控阵天线的仿真与优化
实验报告学生：学号：指导教师：实验地点：实验时间：一、实验室名称：二、实验项目名称：微波工程CAD实验三、实验学时：20四、实验原理：CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。
本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。
五、实验目的：了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。
六、实验容：第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率围，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。
第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率围优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。
七、实验器材（设备、元器件）：台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。
八、实验步骤：第一题：偶极子相控阵天线的仿真a.单个偶极子天线模型单个偶极子天线方向图b.利用3种方法将单个天线扩展成一个2*2的相控阵天线阵方法一将单个天线的远场结果采用不同的幅度和相位叠加，从而得到阵列的结果。
相控阵天线方向图仿真与分析
2019年海军航空工程学院学报2019第34卷第3期Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University V ol.34No.3文章编号：1673-1522（2019）03-0277-06DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2019.03.004相控阵天线方向图仿真与分析关成准1，张磊2，谭顺成2，叶文3（1.91411部队，辽宁旅顺116041；2.海军航空大学，山东烟台264001；3.国防大学联合勤务学院，北京100036）摘要：相控阵天线目前广泛应用于雷达中，促进了多目标、多任务雷达的发展。
但随着电扫描角度的变化，其诸多指标也随之变化，对雷达的性能产生直接影响，因而对相控阵天线方向图进行实时定量分析具有重要意义。
文章基于相控阵天线的基本原理，利用LabVIEW语言开发了相控阵天线方向图仿真软件。
软件设置了相控阵天线各影响参数的输入控件，通过图形和数值2种方式进行仿真结果的显示，并以表格文件存储。
通过不同条件下的仿真结果对比分析，软件可合理有效地对相控阵天线方向图进行实时定量的仿真分析，可应用于相控阵雷达的性能分析和评估中。
关键词：相控阵天线；LabVIEW；仿真分析中图分类号：TN95文献标志码：A雷达天线是雷达的重要组成部分，直接影响着雷达的探测距离、角度分辨率、抗干扰能力等[1]。
相控阵天线技术相对于传统的机械扫描雷达天线，具有扫描速度快、波束控制灵活的特点[2]，促进了多目标、多任务雷达发展；同时，由于其一般由很多固态TR组件组成分布式发射和接收机，具有可靠性高、稳定性好的优势。
为了提高作战能力，现代舰艇和飞机大量装备了相控阵体制雷达[3-4]。
但相控阵雷达在提高雷达性能的同时，由于其工作机理的原因，造成了其应用的复杂性，如随着电扫描角度的变化，其波束宽度、增益、副瓣等均发生变化，对于雷达的探测距离、角度分辨率、测角精度以及抗干扰能力均产生实时的影响[5-7]。
相控阵天线设计方案
相控阵天线设计方案一、相控阵天线需求分析1.天线应用场景图1-(a)图1-(b)如图1所示，定义XOY平面为天线安装面，天线采用平板结构外形，与天花板共形安装。
为了实现AP的远距离覆盖能力，天线需要在天花板平面具备高增益特性；在AP的高密度部署区域，需要天线波束集中于垂直向下区域，同时窄波束有利于降低AP之间的相互干扰。
由此可知，天线需要具备高增益、大角度覆盖的能力。
2.天线指标要求图25G频段：4.9GHz~5.9GHz在xz/yz面：第一档：theta=90°增益大于5dB第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dBtheta=60°/-60°增益小于-6dB2.4G频段：2.4GHz~2.49GHz在xz/yz面：第一档：theta=90°增益大于3dB第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dBtheta=60°/-60°增益小于-6dB根据图2坐标定义，天线波束需要具备在±90°角度内满足大角度、高增益扫描状态。
图3根据图3阵列布局要求，每个天线子阵采用线阵形式，各自覆盖俯仰0°~90°角度，最终实现整阵对于下半空间的全覆盖。
二、天线设计方案阵列天线的大角度扫描是阵列天线设计的一大难点。
从理论上讲阵列的天线增益满足：阵列增益=单元增益+阵因子增益，天线单元的广角辐射特性决定了阵列波束的宽角扫描特性。
当阵列主波束扫描时，随着扫描角度的不同，其增益也在天线单元方向图的限制范围内改变。
当阵列波束扫描至天线单元的增益降至-3dB 的角度时，阵列增益将减小-3dB。
因此，天线单元的3dB 波束覆盖范围，也是阵列的3dB 波束扫描范围。
某相控阵天线阵面静态仿真分析
平面 Y 的距离的平方和最小。由平面 X 到平面 Y 所 发生的平移和转动称为最佳吻合参数，由最佳吻合参 数确定的平面 Y 就称为最佳吻和平面。最佳吻合平 面示意见图 1。
2012 年 12 月
图 1 最佳吻合平面示意图
在参考坐标系下，原设计平面上考察点的位置矢
径 为 ri （ xi ，yi ，zi ） ，i = 1 ，2 ，… ，n 。当 结 构 发 生 位 移
Static Simulation Analysis for a Phased Array Antenna
WANG Zhao ( The 20th Research Institute of CETC， Xi’an 710068，China)
Abstract: Aiming at the electrical performance judgment problem of a phased array antenna，this paper presents an algorithm of best consistency plane to distinguish rigid body displacement and structural deformation of the phased array． The finite element model of the antenna is established to analyze the gravity and temperature load． Simulation data are post-processed by the best consistency plane algorithm，static flatness error and azimuth pointing error of the array are obtained． Key words: best consistency plane; finite element modeling analysis; phased array antenna
箭载共形相控阵天线设计仿真与测试
空间扫描, 具有波束快速扫描、波束形状快速变化、 空间功率合成能力、与载体平台共形等能力, 因此非 常适用于运载火箭中继测控天线。平面相控阵技术 成熟, 但由于所有天线单元均分布于同一平面, 在火 箭和航天器等高速移动载体表面无法布置。共形相 控阵天线与载体表面共形, 不改变载体飞行器的空 气动力学性能, 可实现更大角域的扫描和更高的天 线增益, 在天线扫描过程中能维持或基本维持天线 波束的形状和天线增益。本文基于工程实际需求, 设计了一个与箭体共形的 S 波段相控阵天线实例, 并进行了性能仿真和测试。
Simulation and Testing of a Conformal Phased Array Antenna Used on Launch Vehicle
KANG De di, WU Bin
( Beijing Inst it ut e of T racking an d T el ecomm unicat ions T echn ology, Beijing 100094)
常数。
确定了矩形微带贴片的宽度后, 可得介质基板
材料的等效介电常数为[ 2]
e=
r+ 2
1+
(
r2
1)
1+
1 0h w
-
1 2
( 2)
由式( 1) 和式( 2) 可求出微带贴片天线边缘场引
起的等效伸长长度为
L=
0.
412 h
(
(
e
e+ -
0. 0. 2
3) 58)
( w / h + 0. 264) ( w / h + 0. 8)
L/h !1
相控阵天线仿真分析报告
2X2相控阵天线仿真分析温州大学 张文杰（wjzhg@）一、仿真分析软件HFSS13.0二、基本单元天线特性作为相控阵天线的基本单元，贴片天线的结构如下：2.1如下图，单元天线的回波损耗约‐20dB，中心频率0.889GHz2.2天线的增益方向图最大增益约7.2dB，最大辐射方向在Z轴方向，。
‐3dB夹角约81°.天线输入阻抗约（40+j2）ΩZ=（0.8+j0.04）X50=(40+j2)Ω三、2X2相控阵天线的模拟分析3.1相控阵天线布局四个单元呈矩形分布：上面二个，下面二个。
上面二个天线的中心矩为160mm（X方向,矢量U） ; 上下二个天线的中心矩为130mm（y方向，矢量V）。
z方向为平面法线方向。
设垂直矢量为U，水平矢量为V。
V矢量保持相位为0°不变，U矢量可在-90°到90°之间通过移向控制板设定或连续扫描。
理想状态下，即忽略连线及功率分配器阻抗适配引入的损耗和天线间相互干扰的情况下，几种典型情况仿真分析如下。
3.2 UV矢量同相位情况UV矢量同相位均为0°，天线总增益约13dB,X,Y方向‐3dB夹角为47°左右3.3 U 矢量为90°时U 矢量为90°时，天线总增益约12dB ，X 方向‐3dB 夹角为61°（‐52~9°），Y 方向约57°（‐30~27°）。
见下图。
3.4 V矢量为0°U矢量为‐90°时V矢量为0°U矢量为‐90°时，天线总的最大增益约12dB。
‐3dB角X方向59.5°（‐9.5~50°），Y方向约57°（‐30~27°）3.5 相控阵天线主要特点总结1、当V 矢量保持相位0°不变，U 矢量相位在‐90~90°之间扫描时，‐3dB 辐射角约为102°（‐52~50°）。
一种实用相控阵天线仿真系统研究王建伟
一种实用相控阵天线仿真系统研究王建伟发布时间：2022-02-25T06:12:12.646Z 来源：《基层建设》2021年30期作者：王建伟[导读] 天线是雷达系统的重要组成部分，天线的建模与仿真是影响雷达各分系统仿真重要部分江南机电设计研究所摘要：天线是雷达系统的重要组成部分，天线的建模与仿真是影响雷达各分系统仿真重要部分。
本文以相控阵雷达为背景，基于数字仿真技术，针对相控阵雷达天线系统，研究了相控阵雷达天线的总体结构和功能模块，阐述了主要分系统的实现方案。
采用该方法建立的数字仿真平台可用来研究阵面布局、低副瓣、阵列方向图、导弹跟踪初期主天线散焦等多种电子对抗突防措施下的相控阵雷达天线系统的性能，为科学决策提供技术支撑。
主题词：相控阵天线低副瓣方向图1 前言自20世纪30年代雷达问世以来，雷达技术在第二次世界大战中获得了高速发展。
雷达作为一种可主动地对远距离目标进行全天候探测的信息获取装备，在国防建设与经济建设中获得了广泛应用[1]。
20世纪60年代，为适应对人造卫星及导弹武器系统的需要，相控阵雷达技术获得了很大发展。
由于技术进步和研制成本的降低，相控阵雷达技术迅速在军事领域得到了广泛的应用。
然而，随着探测目标的发展、观测任务的增加，作为雷达对立面的目标和雷达工作的电磁环境也变的更加复杂。
如何在各种干扰环境下准确的探测到目标，即完成先敌发现、先敌打击已成为相控阵雷达需要迫切解决的任务。
本文就是在这种背景下，结合实际工程应用中的相控阵天线的阵面布局、低副瓣、阵列方向图、导弹跟踪初期主天线散焦，设计了一种实用的相控阵天线数字仿真系统，本系统可以为工程实际应用提供理论技术支撑。
2 系统组成及工作原理相控阵天线数字仿真系统主要由阵面布局、低副瓣（幅度加权、相位加权），自适应置零、方向图综合处理、主天线散焦、辅助天线测角等模块组成。
数字仿真系统组成原理框图如图1所示：该数字仿真系统设计的主要工作过程为：在初始化阶段，通过界面输入相控阵天线的布局、副瓣设计指标和数字移相器指标等设计参数。
基于平面相控阵天线变步长LMS算法的仿真设计
L MS 算法通过迭代运算获取用于波束形成的最优权值矢量,是否具有较快的收敛速度和较小的稳态误差成为决定波束形成性能的主要因素[1]。
1 平面相控阵天线模型1.1正六边形面阵天线方向图函数为有效减少阵元数,本文提出正六边形面阵,相邻阵元构成等边三角形,由内向外划分i个半径R(i)的同心圆,考虑波数k=2基于平面相控阵天线变步长L M S 算法的仿真设计张群芳(沈阳理工大学信息科学与工程学院 沈阳 110159)摘 要:设计正六边形相控阵天线,并分析LMS算法对波束方向图的影响,最后仿真设计改进的变步长LMS算法,仿真结果表明新算法具有较快的收敛速度和较小的稳态误差。
关键词:阵列天线 LMS自适应算法 变步长中图分类号:TN 914文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)04(a)-0069-02图1 37阵元天线归一化截面方向图(a)基本LMS算法 (b)变步长LMS算法图2 L M S 自适应算法的收敛性能π/λ的平面波,俯仰角和方位角分别为θ和φ,则面阵方向向量表示为()sin cos((,6))()sin cos((,1))(,)[,...,]jkR i i i jkR i i T a e e(1)设中心阵元激励电流A(o),其它阵元激励电流 (,)(,)s j i n A i n e ,则面阵方向图函数为6()sin cos((,)(,))11(,)(,)s IjkR i i n i n i n s A i n e(2)1.2正六边形面阵天线方向图仿真37阵元正六边形面阵的方向图仿真结果如图1所示。
2 LMS 自适应算法2.1基本LMS 算法LMS算法沿着代价函数负梯度搜索,最终收敛于代价函数最小的最优解[2]。
最陡下降法为(1)()2()()()w n w n n e n x n (3)其中,w(n+1)为n次迭代的权值,μ(n)为步长,x(n)为信号x(t)的采样,e(n)为实际输出信号y(n)与期望输出信号d(n)之间的误差,即()()()()()()T e n d n y n d n w n x n (4)期望和干扰信号分别以φ=80°、θ=30°和φ=140°、θ=30°入射37阵元面阵,μ(n)=0.001时,其收敛性如图2(a)所示。
天线阵列仿真研究课程设计
目录一、设计要求............................................................. - 2 -二、设计作用与目的....................................................... - 2 -三、所用设备及软件....................................................... - 3 -四、系统设计方案......................................................... - 4 -1、简要阐述系统工作原理.............................................. - 6 -2、系统总体设计...................................................... - 4 -五、系统软件设计......................................................... - 8 -六、仿真调试分析......................................................... - 9 -七、设计中的问题及解决方法.............................................. - 10 -八、通信系统学习心得.................................................... - 10 -九、参考文献............................................................ - 11 -天线阵列的研究及仿真一、设计要求微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的阻碍，利用模块化的设计方式实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。
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相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased array
antenna placement
王真刘志惠
(南京电子技术研究所南京210039)
摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。
相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。
关键词: 相控阵天线平台布局FEKO
Abstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platform layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO.
Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO
1 概述
随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。
相控阵天线按照载体的不同可以分为地基固定、车载、机载、星载等不同类型，每一种类型的相控阵天线都会遇到需要连带载体一起进行的平台布局设计。
而这样的平台布局设计所依赖的仿真软件一定要具备足够强大的仿真运算能力，可以进行平台级别的电磁仿真能力。
相控阵天线按照工作体制可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线，其中有源相控阵
天线又可以分为模拟有源相控阵天线、数字有源相控阵天线以及半模拟半数字有源相控阵天线等等，甚至还可以将光控相控阵天线加入这个体制分类。
但是作为相控阵天线和载体平台之间的相互影响的仿真分析，可以将这些体制性的工作机理完全脱离，只剩下相控阵天线和载体简单的对接关系，使得电磁仿真工作简单而清晰。
FEKO是以矩量法（MOM）为核心的用于三维结构电磁场分析的仿真工具，并且引入多层快速多极子方法（MLFMM）、物理光学法（PO）、大面元物理光学法（LEPO）、一致性绕射理论法（UTD）、有限元法（FEM）、MLFMM/PO、MLFMM/LEPO等多种混合算法相结合的求解算法，可以很好地解决平台级别的电磁仿真设计问题。
2 地基相控阵天线平台布局设计（案列1）
2.1 平台布局设计需求
遇到的第一个案列是需要在一个大型地基相控阵天线的背瓣区域建立一个生活区，该生活区由于空间和地域的限制只能建立在距离相控阵天线地基平台背后约50米的位置，相控阵天线前向辐射区域为正负60度区域，背后的电磁环境特性对生活区的影响至关重要。
在地基相控阵天线设计的初期就要考虑这个问题，所以，只能依赖于FEKO这样的电磁仿真软件进行整体布局和仿真设计工作。
2.2 模型的建立
用CADFEKO建立了地基平台的立体图形，并在平台上建立周期性的半波振子模拟真实的天线单元，每一个半波振子都有自己的馈电点，在EDITFEKO 里面对馈电点进行循环馈电。
仿真的过程中，选择地面类型为一个无限大介质层，可以近似模拟地面对天线波瓣图的影响，在地基平台的背后50米位置设置一个弧形面区域作为电场分布的考核区域。
并且为了优化设计，从平台的反射面大小、扼流槽的大小等方面对地基平台进行优化设计，得到不同的电场分布，选择电流分布较弱的位置进行生活区的布局设计。
2.3 模型的求解过程
模型的求解利用的是矩量法和PO混合的求解算法，耗时时间约为5小时；
2.4 模型的解析结果
求解的具体结果参见下面的图形所示：
图1 地基相控阵天线平台布局实例
（1-1 正常规模；1-2 地基平台；1-3平台扩展；1-4 增加扼流）
3 机载相控阵天线平台布局设计（案例2）
3.1 平台布局设计需求
遇到的第二个案列是在飞机的机翼上放置一个相控阵天线，用以探测预警，这样的案例比较常见，因为涉及到相控阵天线的大角度波束扫描，所以优化放置的位置至关重要，实际案列中相控阵天线的单元数目为50个，扫描范围为正负60度，由于机翼的存在，对相控阵天线的波瓣形状、增益、副瓣电平、波瓣宽度等电性能指标都会造成一定的影响。
这样的问题，也只能依赖于FEKO这样的电磁仿真软件进行建模和仿真优化设计工作。
3.2 模型的建立
用CADFEKO建立了相控阵天线的立体图形，其中机翼模型是由结构设计师提供的SAT 三维模型直接导入FEKO软件，同样用半波振子模拟真实天线单元的形式，排列成50个周期排列的天线阵列，并在EDITFEKO里面循环设置激励的幅度和相位参数，设置扫描角度和天线单元激励相位的对应关系等。
3.3 模型的求解过程
模型的求解利用的是标准的矩量法求解，耗时时间约为3小时。
3.4 模型的解析结果
求解的具体结果参见下面的图形所示。
3.4.1 天线在机翼上方
图2 机载相控阵天线平台布局实例（天线在机翼上）
（2-1 法向立体波瓣；2-2 方位切面波瓣；
2-3 方位扫描30度立体波瓣；2-4方位扫描30度切面波瓣；
2-5 方位扫描60度立体波瓣；2-6 方位扫描60度切面波瓣）3.4.2 天线在机翼下方
图3 机载相控阵天线平台布局实例（天线在机翼下）
（3-1 法向立体波瓣；3-2 方位切面波瓣；
3-3 方位扫描30度立体波瓣；3-4方位扫描30度切面波瓣；
3-5 方位扫描60度立体波瓣；3-6 方位扫描60度切面波瓣）
4 分析与结论
由以上两个案例可以看出，FEKO建立的模型可以给予用户一种非常合理和准确的仿真结果，指导用户进行相控阵天线在载体平台上的布局设计，文中给出的两个实例已经具有非常巨大的工程参考价值，并在实际工程设计中得到了广泛应用和推广。
5 参考文献
[1]张光义.相控阵雷达原理.北京：国防工业出版社，2009
[2]张祖稽，金林，束咸荣. 雷达天线技术. 北京：电子工业出版社，2004
[3]束咸荣，何炳发，高铁. 相控阵雷达天线. 北京：国防工业出版社，2007
[4]吴鸿超，万长宁，熊慎伟，王建明，刘国朝.《数字相控阵雷达发射多波束特性研究》.《微
波学报》，2014,1：6-9。