微带多波束相控阵天线故障诊断专家系统研究

微带多波束相控阵天线故障诊断专家系统研究

俞隽杨诠让

（东南大学毫米波国家重点实验室南京２１００９６）

ｌ耍，本文为一椭圆切割的微带多波束相控阵天线故障诊断专家系统，同时对多波束相控阵与单波束相控阵故障诊断专家系统进行了比较。结果表明：多波束相控阵故障诊断专家系统的性能增强，准确率提高。

关■阔：徽带天线．专家系统，多波束相控阵

１引言

自七十年代咀来．随着微波集成技术的进步．微带阵列天线得到迅速发展，并广泛应用于雷达和卫星通信中。徽带相控阵天线已经成为全固态有源相控阵雷达的重要部件之一．为了便于对天线阵进行维护．相控阵天线需要一套监测系统。本文就是在单波束相控天线阵故障诊断专家系统的基础上针对一个８０×１２椭圆形状切割的辙带多波束相控阵天线设计的故障诊断专家系统．相控天线阵监测系统根据测试方法的不同．可以分为“内监测”和“外监测”两种。“内监测”的测试精度高，但设备复杂。本文采用外监测方法．只需根据相控阵天线的外场信号就可以进行故障诊断，不需分别对每个单元的幅相进行监测．从而可以大大减少监测系统的设备。由于引入了多波束体制，专家系统知识库质量更高，专家系统故障诊断系统的性能也更好．

２微带天线阵故障诊断专家系统构成

专家系统一般由知识库和推理机等部分组成（图Ｉ）。知识库存放故障诊断信息．推理机则根据故障诊断知识库和测试数据进行故障诊断，给出故障信息。

知推・一天线监视系统Ｉ

识理

库机————叫系统维护人员Ｉ

图１（专家系统的基本结构）

１．知识库的建立

进行故障诊断之前，首先必须建立专家系统知识库．即找到天线阵单元发生故障时变化敏感的变量作为特征值建立故障诊断信息库。当微带相控阵天线的某些单元出现故障时ｔ其Ｅ面和Ｈ面的方向图会发生变化；方向图的主瓣变化较小．副瓣的幅度和相位变化较大。因此・

本专家系统选择天线阵Ｅ面和Ｈ面方向图左右各２个副瓣的幅度和相位共１６个变量作为特征值建立专家系统知识库。为保证知识库的质量，本文在计算天线阵场方向图过程中通过谱域矩量法计算整个微带天线阵的阻抗矩阵，充分考虑了天线阵列各个单元之间的互耦效应ｔ减少了误差。

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对于多波束相控阵，本文仅考虑两个波束情况。其中，波束１指向（ｏ。０ｃｊ，渡京２指向（１５。，１５ｏ）。天线阵正常工作情况下场方向图如图２所示：

０。

图２多波束天线阵场方向图

计算出天线阵场方向圈后，从中提取出左右各２个副瓣的幅度，相位信息作为特征值即可建立专家系统知识库。

２．推Ｉ机秘

考虑到测试数据有误差，测试数据和知识库之间不可能一一对应。本系统推理机采用似然推理技术一引入可信度因子以消除诊断的模糊性。假设某一组馈电单元损坏。诊断过程如下：若第ｋ组单元损坏，称为结论Ｈｋ．其对应的特征值为瓦。用户给出的测试数据为Ｅ。

天线阵共有Ｎ组馈电单元，每组单元损坏的先验概率Ｐ（日Ｉ）相同。

Ｐ（风）＝万１

设测试数据误差为６・定义已知Ｅ发生后日Ｉ发生的概率Ｐ（ＨＩ／Ｅ）如下：

，（Ｈ，ｔＥ，＝晰鬻，（２）

则可得Ｅ发生后月Ｉ发生的可信度因子ＣＰ（Ⅳ．／句

ＣＦ（Ｈｔ协等等产㈤

以上为考虑一个特征值情况。同时考虐１６个特征值情况。忽略各特征值之问相互影响，则可定义多个证据综合作用下结论的可信度因子

ＣＦ（Ｈ；／ＥＩ＆Ｅ２＆…Ｅ１６）＝（ｎＣＦ（Ｈ，／巨））…６（４）

１２２●

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３结果分析

本文参照某机载预警相控阵雷达进行研究．微带相控阵天线的参数为：

Ｉ．椭暇切割天线阵列：椭圆天线阵单元数为６４０；椭圆长轴天线单元数８０，短轴１２：行间距和列间距均为３．４５ｃｍ；椭圈具体形状由程序控制．

２．天线单元几何尺寸：长度为２ｃｍ．宽度为３ｃｍ。

３．介质基片：犀度为Ｏ．１６ｃｒｎ。介电常数２．５５。

４．工作频率：略。

由于天线阵采用并联馈电方式．因此可以将天线阵按行依次四个天线单元分为一组，阵列总共有１６０个馈电单元。

以下馈电单元发生故障皆为部分损坏，担ｐ馈电电流幅度衰减一半．相位偏差Ｉｏ．１．多■柳摹奠柬相控阵天■靛■诊■●棚ｌ麓的性簟比较

考虑蔫试数据不同误差，相控阵天线一个馈电单元组发生故障．对故障诊断专家系统舶性能进行统计分析，结果如下

测试误差（％）多波束扫描单波柬扫描

２０．９９８０．９６１

５Ｏ．９３９０．７６３

１００．８５４０．４４９

１５０．７５５Ｏ．３１２

能更好。对于单波束相控阵，由于天线阵列左右．上下两个方向天线单元呈现一种对称关系，相对应的知识库特征值很接近，于是造成知识库质量不高，故障诊断容墨辊糟，出现谩诊断，但这些在多波柬相控阵中都有极大的改善。其原因也是显而易见的．多波束相控阵天线系统的对称性一般不再存在，天线阵列的故障单元也容易被诊断出来。因此，在天线测试工作状态，系统已设置在多波束扫描方式，监涮系统可以不受天线阵扫描方式的限制。

２．多■柬相控阵专毫熏麓赛膏截■簟—拳饲

测试数据误差为５％，诊断结果只列出ｃＦ值居前５位的故障单元．

（１）天线阵有一个馈电单元发生故障．

故障单元编号ＣＦ值（可信度因子）

（５Ｉ１１）０．９１０

（４．１１）０．３６９

（９．ＩＩ）０．１６７

（１０。１１）０．１３８

（８。１１）０．０９４

诊断表明：（５．１１）单元发生故障。

例２．（１Ｉ，９）单元发生故障．诊断结果如下：

故障单元编号ＣＦ值（可信度因子）

（１ｌ。９）０．９５６

（１０，９）０．６５６

（７．１１）０．０３５

（９，９）Ｏ．０３４

（６，１９）０．０３１

诊断表明：（１１，９）单元发生故障。

（２）天线阵有二个馈电单元发生故障。

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