天线阵列多物理场耦合设计_钱丽勋.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering62天线器件结构精度高，且其电磁性能的实现受到结构变形的影响。在天线电子设备的研究中存在着流场、温度场以及电磁场等多种物理作用，是机、电、热多学科相互结合的系统，其性能能否实现很大程度取决于多学科耦合问题的解决。因此，为了探索天线设备结构对于电性能的影响，需要进行多物理场耦合分析，探索结构形变与性能映射关系。1 阵列天线建模天线常用于信号的转换与接收。当天线的馈线与天线匹配的时侯，在天线的馈线上没有反射波，馈线所传输的就只有天线方向波。这种情况下，馈线上电压与电流相等，馈线各处的阻抗都等于天线的特性阻抗。而当天线与馈线处于不匹配的情况下，将会反射未被吸收的部分能量为反射波1。天线的传输效率由天线的阻抗特性来决定，天线的输入阻抗包括辐射电阻以及损耗电阻。损耗电阻反映了系统中的损耗功率，辐射特性则反映出天线辐射电磁能量的能力。反射参数与电压驻波比则能够反映天线与阻抗的匹配特性。其中反射系数 定义为式（1）：（1）其中Z0是馈线阻抗特性，电压驻波比定义为式（2）：（2）在仿真的时候，天线会被视为单端口器件，反射系数以回波损耗的形式表示出来。因此在天线设计的时候，一般将回波损耗以及电压驻波比作为评判天线设计阻抗匹配的参数，取值越小，天线与传输线的匹配越好。天线的方向性是指天线在各个方向辐射电磁波的能力。方向图通常用于描述天线空间上的辐射功率强度。方向图上辐射强度最高的方向为天线的主射方向。天线的半功率波束宽度越大，则天线的方向性越弱。天线辐射效率为天线辐射功率与输入总功率的比值，定义为式（3）：（3）天线的辐射效率小于 1，在天线设计中，天线的辐射特性常用来评判天线设计的好坏，天线选择低损耗的基质材料的话，辐射效率可以达到 90%。阵列天线是通过将天线单元进行排列组合并添加合适的激励从而获取预期辐射特性的天线。随通信技术的发展，天线单元目前有小型化发展趋势，但是由于天线单元的限制性，想要在天线单元小型化的同时保证天线的辐射强度以及辐射范围，产生了阵列天线的概念。在阵列天线中，各个单元的位置以及馈电的振幅与相位是可以独立调整的，所以阵列天线能够实现一些单元天线所无法实现的功能。根据方向图相乘的原理，阵列天线的方向图由子阵的方向图乘上以子阵为单元天线阵的方向图得到，所以在对天线阵进行分析的时候，可以通过对阵列天线进行分解，对子阵进行分析，从而确定阵列天线的总方向图2。在机翼阵列天线设计的时候，单个小型天线的增益一般在 6 至 8dB 范围内，且天线的波束宽度比较宽，单个天线不能够完全满足机翼实时监测的目的，想要得到高增益、窄波束以及低副瓣电平的要求，则需要构造阵列天线。阵列天线的馈电包括串联馈电以及并联馈电。串联式馈电方法根据终端负载情况可以分为驻波式馈电以及行波式馈电，两者的阻抗带宽与方向图带宽情况相反，可以根据使用场景来进行选择。而并联馈电输入端到天线单元距离相等，能够保证单元天线的相位是相同的，具有良好的辐射性能，但是需要对馈电网络进行精心布局。天线阵列多物理场耦合设计钱丽勋贾尚嗣李丰（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）摘要：本文基于机载阵列天线系统设计过程中的场耦合理论，探索电磁场、结构场、温度场及流场之间的关系，建立基于模型的机载阵列天线系统多物理场耦合模型，建立形变与电磁性能之间的映射关系。关键词：多场耦合；形变重构；阵列天线电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering632 多物理场模型搭建在阵列天线结构中出现的多场耦合问题，主要包括流场、温度场、结构场以及电磁场等物理场。在物理场的耦合关系中有些物理场之间的关系不影响研究主要内容。温度场、流场直接作用对象为载体结构，从而间接对阵列天线系统电磁性能产生影响。在进行形变与位移关系研究过程中，与研究内容无关的物理场联系是可以忽略不计的。分析阵列天线结构所涉及各物理场的耦合特点：物理场耦合基本上是两两耦合，根据输入输出参数变化，找到多物理场耦合中的直接耦合关系，将整个多物理场耦合分析分解为几个单场分析关联过程。基于物理场耦合特点对模型进行简化：天线结构多物理场耦合问题中，流场和温度场通过载荷对结构产生影响，结构场通过结构参数对电磁场产生影响，所以以结构形变为中间参数，将整个系统简化为热机电耦合仿真问题3。将多物理场耦合关系分为多组线性关系。假设初始场分布为、。第 k 个场受其他场影响后场的分布 Fk如式（4）所示：Fk=C1k(F1)+C2k(F2)+Cnk(Fn)（4）考虑所有物理场之间的影响关系，得到如式（5）的矩阵表达形式：（5）式（5）中：Cij为耦合影响算子，表示第 j 种场对第 i 种场的影响因子。对场分布的计算分两种情况：当场的影响关系比较简单时，采用序贯求解法，将第 j 种场的数据作为输入数据，加载到第 i 种场中进行计算；对影响关系比较复杂的情况，则使用实验数据来进行插值4。对本次仿真中多物理场模型进行简化，可得到多场耦合的统一简化模型：F=CF （6）式（6）中：F 为受到其他场影响后的物理场分布；F 是初始物理场分布，C 是场影响矩阵。首先基于 SysML 模型对机翼进行建模工作，并对其进行基础的静力学分析以及模态分析，同时，对设计完成的阵列天线模型进行电磁分析，得到阵列天线的电性能参数。在该部分工作完成后，将阵列天线模型以及机翼模型结合起来，形成形变性能耦合模型。在新形成的耦合模型基础上加载外界工作气动数据，完成流场仿真，并加载温度条件以及受力环境，完成多物理场耦合仿真，得到耦合模型结构在工作环境下的变形数据。多物理场耦合分析的流程如图 1。根据耦合仿真产生的模型坐标对模型进行重构工作，重构出的阵列天线模型进行性能仿真验证，观察结构形变对于电磁性能的影响，多次迭代仿真可以得到天线结构形变与性能的映射关系，从而为天线电磁性能的调控提供一种思路。3 仿真实验3.1 天线模型图 1：多物理场流程电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering64在天线设计软件中对天线单元进行物理建模，设置所需要的模型尺寸参数，并对模型进行边界设置以及激励设置。文章设计天线单元有三个组成结构：金属贴片，天线基板、天线馈电。本次仿真中采用的贴片材料为铜，尺寸为 13mm9.2mm，基板尺寸为 30mm340mm，天线激励采用端口激励。天线模型如图 2 所示。对于天线单元性能参数进行分析，对于天线单元的性能参数通过以下两个角度分析。3.1.1 驻波比天线单元电压驻波比数值最小的点为中心频率100GHz 附近，天线单元性能良好。3.1.2 回波损耗天线单元在中心频率附近回波损耗最小，最小回波损耗约为-7dB。根据天线单元参数进行判断，该天线单元的驻波比以及回波损耗参数都比较小，说明天线与传输线的匹配性能较好。通过天线单元仿真分析可以看出根据天线需求图来进行天线的建模，所得到的天线模型中参数是符合需求的，所创建的天线单元模型阻抗特性较为理想，能够满足设计需求。3.2 仿真与实验温度场分析与结构位移场之间进行直接耦合，对其它物理场没有直接影响，对于温度场仿真，输入参数为阵列天线的激励条件以及边界条件，输出参数为温度场数据。温度场分析的目的是模拟阵列天线在使用时产生的热量，考虑到温度变化对于结构以及性能的影响。阵列天线模型使用的场景为载体结构表面，在结构运动过程中，阵列天线会受到结构所在流场的影响，流场导致的结构变形对于天线性能具有较大的影响，所以需要对阵列天线进行流场分析，模拟加载气动载荷得到流场数据，考虑流场影响是必要的。对于流场仿真，输入参数为气动数据，输出参数为流场载荷。在本次仿真中模拟载体运行过程，设置的边界条件为载体结构运行速度、高度以及角度，流体材料为理想空气。流场分析的目的是考虑天线设备运行过程中对结构产生的影响。流场由外部的气动数据驱动，产生的结果只作用于结构位移场，与结构场直接耦合，不直接影响其它物理场。结构场分析是阵列天线多物理场耦合分析中最重要的一个环节，结构场是实现多场仿真的关键步骤，是连接流场，温度场以及电场分析的纽带。在该环节中，将流场及温度场分析结果作为载荷施加到天线的几何结构上，通过给几何结构设置合适的材料以及约束，进行静力学分析，得到阵列天线结构的应力应变以及形变等数据。天线形变是本次仿真中重要的中间参数，根据天线形变数据可以进行变形后天线电性能的计算并进行多次迭代计算。图 3 所示为将流场温度场输出的温度数据以及流场输出的气动载荷数据作为载荷的形式加载到结构场中。结构场分析的目的是将流场以及温度场影响通过结构形图 2：天线单元模型图 3：结构场载荷电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering65变的形式来对天线电磁场产生影响，从而获得流场温度场对电磁场的影响关系。通过结构场分析获得的形变值可以进行模型重构，从而进行变性后电磁场分析。文章研究对象为机翼结构表面阵列天线，探索多物理场加载情况下导致的结构变形对于阵列天线电性能的影响，天线的电性能是一项重要的检测指标。在阵列天线几何模型建立好后，设置电磁场边界条件，对天线进行电性能分析，得到不变形情况下天线的增益、方向图、驻波比以及 S11 参数等数据，之后将变形后天线模型进行仿真分析，采用相同的边界条件设置，得到变形后阵列天线模型的相关参数，将两者相对比就可以得到结构形变对于阵列天线电性能的影响。电磁场分析是系统设计中的检测指标，流场温度场对天线电性能的影响是以电磁场分析结果作为只管检测指标的。对整个多物理仿真过程来说，输入参数为电磁场的激励以及边界条件以及流场的气动工况数据，输出参数为阵列天线电磁性能。通过改变输入参数从而改变温度场以及流场设置，以结构变形的形式对电磁性能产生影响。对阵列天线模型进行流场分析以及温度场分析之后，将流场以及温度场数据作为载荷数据添加到静力学分析中。对几何模型进行网格划分、材料参数设置、添加结构约束等步骤，完成静力学分析过程，结构的形变图如图4。根据云图所示，在流场以及温度场载荷影响下，阵列天线结构产生弯曲变形，模型产生最大形变的地方在结构的上表面。图 5 为重构天线模型图。根据结构的形变数值进行模型的重构，建立变形后的阵列天线几何模型，进行变形后天线性能分析，以此完成一次迭代进程。经过多次迭代计算即可得到结构变形与电磁性能的映射关系。4 结果分析由图 6 所示的差异可以看到，天线产生形变后，在phi 角方向上面的增益分布产生了变化，变形后天线在0120的增益变大，在 240360间的增益变小，形变对于天线在该方向上的辐射特性产生影响。在 theta 角方向上面的增益相差不大，主瓣宽度也没有变化。天线能够同时辐射水平极化波以及垂直极化波，变形后，由于天线阵元位置发生变化，所以辐射场会产生一定程度的交叉极化，对于阵列天线的增益造成影响。根据两种情况下的增益比较，发现在结构变形后，最大增益变化很小，但是最大增益所在方向发生了偏移，变形前最大增益方向在 theta 角 10的方向，变形后最大增益方向在 0方向。通过观测得知变形前整体的增益要比变形后要大，说明天线变形导致了天线辐射强度一定程度上的降低与偏倚，形变对于天线性能是有影响的。通过阵列天线变形前后 S11参数比较，天线形变对于输入回波损耗的影响较小，其中心频率附近输入回波损耗在-10dB 以下，阵列天线的辐射效率较好。天线的阻抗带宽在变形前覆盖频段为 10.110.4GHz，变形后的阻抗带宽为 1010.6GHz，结构变形对于频带带宽的影响相对较小，后续可以通过优化天线几何参数，改变馈电结构来进一步扩展阵列天线带宽。对模型变形前后驻波比进行比较，基本趋势为在中心频率 10GHz 时驻波比最小，随扫频频率变化向两侧衰减，在中心频率天线的辐射效率是最高的，天线性能图 4：天线结构形变图图 5：重构天线模型电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering66最优。但是相比较下，在变形前的驻波比变化规律更加平滑，变形后在扫频频率为 8GHz 附近时反射率较低，结构形变对于驻波比参数是有一定的影响。根据变形前后阵列天线性能整体分析，在阵列天线结构产生变形之后，天线的最大辐射方向发生了偏移，天线整体的增益变小，辐射效率变低，但是天线的回波损耗以及反射率受到天线变形影响不是很大。总体来说，天线产生形变会使得天线辐射性能产生一定程度的降低。将气流工况对应形变进行方位角的计算，得到不同工况下的方向图参数，进行比较说明。由于气流初始条件的不同导致结构产生的形变不同，对于天线的方向图具有一定程度上的影响。阵列天线的最高旁瓣电平以及主瓣宽度差异不大，最大偏倚角发生偏倚，该性能的变化对于机翼阵列天线接收信号会产生不利的影响。在结构设计时，需要尽量减少该类型的形变，使天线探测性能保持稳定。5 结论根据多物理场耦合的结果对阵列天线的电磁性能进行分析，将由于多物理场影响而产生结构形变的阵列天线电磁性能同没有产生结构形变的阵列天线进行对比分析，得到结构形变对于电性能的影响关系，并根据结果判断结构形变对于阵列天线进行信号探测以及信号稳定性的影响类型。之后根据结构形变对天线电性能影响关系来提出两种可能的优化方案，根据优化方案建立数学模型并得到系统的最优参数。之后进行优化模型的验证，判断结构优化方案的可行性。参考文献1 吕英华.计算电磁学的数值方法 M.北京:清华大学出版社,2006.2 黄欣婷,汪奕,陈金,等.一种小型高频段双极化喇叭天线的结构设计 J.电子机械工程,2021,37(06):12-15.3 赵洪.基于飞行品质的无人旋翼飞行器总体多学科设计优化研究 D.南京航空航天大学,2018.4 曹筱晗.基于 SysML 的机载微带阵列天线形变与性能耦合建模与仿真 D.电子科技大学,2021.作者简介钱丽勋（1984-），男，河北省石家庄市人。博士学历，中国电子科技集团公司第十三研究所高级工程师，十三所感知 MEMS 领域专家。从事 MEMS 感知，MEMS 射频领域产品的研发。贾尚嗣(1997-)，男，山西省武乡县人。硕士学位，助理工程师。研究方向为智能设计与微机电系统。李丰（1979-），男，河北省人。大学本科学历，工程师，主要从事微波/射频滤波器的研发、设计工作。图 6：阵列天线方向图(a)变形前(b)变形后