結(jié)構(gòu)誤差對(duì)天線陣面電性能的影響

張小紅

（海軍裝備部，西安 710068）

0 引言

由于相控陣天線陣面電性能指標(biāo)與機(jī)械性能指標(biāo)之間的關(guān)系理論研究尚不完善，無(wú)法選出比較合適的結(jié)構(gòu)方案既滿足機(jī)械性能要求又滿足天線陣面電性能要求。因此研究與分析機(jī)械性能對(duì)天線陣面電性能的影響關(guān)系已經(jīng)成為迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。比如，陣列天線的結(jié)構(gòu)偏差場(chǎng)和電磁場(chǎng)之間的場(chǎng)耦合關(guān)系甚為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)偏差影響增益、副瓣電平和波束指向等電性能指標(biāo)。這里把機(jī)械結(jié)構(gòu)與電性能之間相互影響和制約的關(guān)系稱之為機(jī)電耦合關(guān)系，兩者之間的問(wèn)題稱之為機(jī)電耦合問(wèn)題。從機(jī)械結(jié)構(gòu)偏差場(chǎng)和電磁場(chǎng)出發(fā)，建立結(jié)構(gòu)偏差場(chǎng)與電磁場(chǎng)的機(jī)電耦合模型，分析隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)誤差對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線陣面電性能產(chǎn)生的影響[1]。

天線陣面的電性能指標(biāo)影響著相控陣?yán)走_(dá)整機(jī)指標(biāo)，為了精確分析天線陣面的電性能，提高天線陣面整體設(shè)計(jì)水平，最好的方法就是在電磁場(chǎng)分析過(guò)程中同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，得出結(jié)構(gòu)誤差與天線電性能參數(shù)之間的關(guān)系。影響天線陣面電性能的誤差可以分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差是指一種不能事先預(yù)測(cè)的，快速變化的誤差，如單元失效率，激勵(lì)幅相誤差，陣面加工誤差，輻射陣元、天線框架和子陣的安裝誤差等；而系統(tǒng)誤差是可以事先預(yù)計(jì)并能?chē)?yán)格控制的，這類(lèi)誤差是緩慢變化的，或者呈現(xiàn)一定的周期性規(guī)律，如單元之間的互耦阻抗，測(cè)量誤差，天線力學(xué)變形引起的誤差。天線力學(xué)變形引起的誤差又稱為結(jié)構(gòu)變形誤差，結(jié)構(gòu)變形包括重力變形、風(fēng)載荷變形、溫度變形和振動(dòng)引起的變形等。按誤差來(lái)源分又可以分為饋電誤差和結(jié)構(gòu)誤差。

結(jié)構(gòu)誤差包括陣面加工誤差，輻射陣元、天線框架和子陣的安裝誤差以及由天線力學(xué)變形引起的結(jié)構(gòu)變形誤差。

1 機(jī)電兩場(chǎng)耦合模型

本文基于場(chǎng)耦合的概念，建立了有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的機(jī)電兩場(chǎng)耦合模型，研究分析炮振載荷下的結(jié)構(gòu)變形誤差，陣面加工誤差，輻射陣元、天線框架和子陣等的安裝誤差對(duì)天線陣面電性能的影響[2-3]。

1.1 結(jié)構(gòu)誤差分類(lèi)

結(jié)構(gòu)變形誤差，陣面加工誤差，輻射陣元、天線框架和子陣的安裝誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)誤差可以再細(xì)分為三類(lèi)直接影響天線陣面電性能的影響因素。

（1）結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致的陣元相對(duì)天線陣面的垂直度誤差，即陣元指向誤差對(duì)天線陣面電性能的影響。陣元指向誤差導(dǎo)致陣元在陣面垂向的增益不同。

（2）結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致的陣元相對(duì)天線陣面的水平度誤差，即陣元在陣面垂向的起伏對(duì)天線陣面電性能的影響。陣元在陣面垂向的起伏導(dǎo)致陣元初始相位角不同。

（3）結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致的陣元在天線陣面上的位置度誤差，即陣元在陣面上的實(shí)際位置相對(duì)于布陣位置的偏差對(duì)天線陣面電性能的影響。

將結(jié)構(gòu)誤差加入機(jī)電兩場(chǎng)耦合模型，得出結(jié)構(gòu)誤差對(duì)天線增益、柵瓣電平、波束指向和波束寬度等天線陣面電性能指標(biāo)的影響[4-6]。

1.2 陣元結(jié)構(gòu)誤差和耦合模型的實(shí)現(xiàn)

將雷達(dá)安裝在振動(dòng)臺(tái)上，測(cè)試方向?yàn)閄向、Y向和Z向，X向?yàn)樗缴湎?，也就是天線陣面法線指向，Y向是橫向，Z向?yàn)榇怪狈较颉Ｕ駝?dòng)載荷下的結(jié)構(gòu)變形誤差通過(guò)仿真分析求得，簡(jiǎn)化歸納為四種工況數(shù)據(jù)，工況1為第一階固有頻率下天線陣面和天線座固有模態(tài)的變形情況，是極其惡劣需要規(guī)避的；工況2為Z向振動(dòng)作用下天線陣面的位移響應(yīng)，工況3為Y向振動(dòng)作用下天線陣面的位移響應(yīng)，工況4為X向振動(dòng)作用下天線陣面的位移響應(yīng)。陣面加工誤差，輻射陣元、天線框架和子陣等的安裝誤差通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸鏈計(jì)算和工藝條件保障可以控制在一定精度范圍內(nèi)。陣元結(jié)構(gòu)誤差具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 陣元結(jié)構(gòu)誤差

通過(guò)將垂直度誤差數(shù)據(jù)融入陣元指向，將結(jié)構(gòu)水平度誤差數(shù)據(jù)和位置度誤差數(shù)據(jù)融入陣元布置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電兩場(chǎng)在天線陣面上的耦合。

2 天線陣面電性能影響分析

2.1 陣元方向圖及陣元指向的影響

17GHz時(shí)圓口喇叭陣元方向圖如圖1所示。

圖1 陣元方向圖

陣元指向誤差導(dǎo)致的陣元在陣面垂向的增益損失如表2所示。

表2 陣元指向誤差導(dǎo)致的增益損失

2.2 陣元布置模型及法向指向陣面因子方向圖

天線陣面為環(huán)柵陣，陣元布置如圖2所示。

圖2 天線陣面陣元布置圖

環(huán)柵陣法向指向時(shí)不帶陣元因子方向圖的陣面因子三維方向圖如圖3所示。在方位上和俯仰上的陣面因子方向圖分別如圖4和圖5所示。

圖3 陣面因子三維方向圖

圖4 方位上陣面因子方向圖

圖5 俯仰上陣面因子方向圖

2.3 法向指向帶陣元因子方向圖的陣面方向圖

環(huán)柵陣法向指向時(shí)帶陣元因子方向圖的陣面三維方向圖如圖6所示。在方位上和俯仰上的陣面方向圖分別如圖7和圖8所示。

圖6 陣面三維方向圖

圖7 方位上陣面方向圖

圖8 俯仰上陣面方向圖

3 陣元結(jié)構(gòu)誤差對(duì)天線電性能的影響

將陣元結(jié)構(gòu)誤差帶入天線電性能的計(jì)算中，得到不同的陣元結(jié)構(gòu)誤差對(duì)天線電性能的影響結(jié)果，具體見(jiàn)表3。

可以看出結(jié)構(gòu)變形誤差工況1對(duì)天線電性能的波束指向偏差影響最為顯著，使得波束在法向上的指向偏差為 0.071°，明顯的影響了整個(gè)雷達(dá)的跟蹤精度，同時(shí)由于波束指向偏差導(dǎo)致了波束寬度變寬。

在圖1所示的天線和天線座結(jié)構(gòu)三維模型下，Z向、Y向和X向振動(dòng)譜分別作用下的天線位移響應(yīng)（結(jié)構(gòu)變形誤差工況2、工況3和工況4）對(duì)天線電性能的影響不顯著，但通過(guò)對(duì)三者之間的對(duì)比可以看出天線位置平移對(duì)天線電性能基本不影響，繞X軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)天線波束指向的影響具有線性關(guān)系，這兩點(diǎn)通過(guò)天線理論也可以得出。

表3 陣元結(jié)構(gòu)誤差對(duì)天線電性能的影響結(jié)果

陣面加工誤差和累積安裝誤差是不可避免的隨機(jī)誤差，對(duì)天線電性能的影響也是隨機(jī)分布的，采樣了三種隨機(jī)計(jì)算結(jié)果，總的來(lái)說(shuō)對(duì)波束寬度和指向影響不明顯，對(duì)增益和柵瓣的影響也比較小。

結(jié)構(gòu)變形誤差工況 1、陣面加工誤差和累積安裝誤差綜合對(duì)天線電性能的影響在仿真計(jì)算結(jié)果中是最大的，對(duì)天線增益、柵瓣電平、波束指向和波束寬度的影響是顯著地，應(yīng)避免此種情況的發(fā)生。實(shí)際中此種情況是不會(huì)出現(xiàn)的，因?yàn)樘炀€在第一階固有模態(tài)下的變形誤差（極其惡劣，應(yīng)規(guī)避）是不會(huì)發(fā)生的，只是一個(gè)計(jì)算的表征量。