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與機械性能指標之間的關(guān)系理論研究尚不完善，無法選出比較合適的結(jié)構(gòu)方案既滿足機械性能要求又滿足天線陣面電性能要求。因此研究與分析機械性能對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)鍵問題。比如，陣列天線的結(jié)構(gòu)偏差場和電磁場之間的場耦合關(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。這里把機械結(jié)構(gòu)與電性能之間相互影響和制約的關(guān)系稱之為機電耦合關(guān)系，兩者之間的問題稱之為機電耦合問題。從機械結(jié)構(gòu)偏差場和電磁場出發(fā)，建立結(jié)構(gòu)偏差場與電磁場的機電耦合模型，分析隨機誤差、系統(tǒng)誤差這兩類結(jié)構(gòu)誤差對相控陣雷達天線陣面電性能產(chǎn)生的影響[1]。

天線陣面的電性能指標影響著相控陣雷達整機指標，為了精確分析天線陣面的電性能，提高天線陣面整體設(shè)計水平，最好的方法就是在電磁場分析過程中同時考慮結(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誤差和系統(tǒng)誤差，隨機誤差是指一種不能事先預(yù)測的，快速變化的誤差，如單元失效率，激勵幅相誤差，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)計并能嚴格控制的，這類誤差是緩慢變化的，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、溫度變形和振動引起的變形等。按誤差來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 機電兩場耦合模型

本文基于場耦合的概念，建立了有源相控陣雷達天線陣面的機電兩場耦合模型，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天線陣面電性能的影響[2-3]。

1.1 結(jié)構(gòu)誤差分類

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)誤差可以再細分為三類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)致的陣元相對天線陣面的垂直度誤差，即陣元指向誤差對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)致的陣元相對天線陣面的水平度誤差，即陣元在陣面垂向的起伏對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際位置相對于布陣位置的偏差對天線陣面電性能的影響。

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

1.2 陣元結(jié)構(gòu)誤差和耦合模型的實現(xiàn)

將雷達安裝在振動臺上，測試方向為X向、Y向和Z向，X向為水平射向，也就是天線陣面法線指向，Y向是橫向，Z向為垂直方向。振動載荷下的結(jié)構(gòu)變形誤差通過仿真分析求得，簡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向振動作用下天線陣面的位移響應(yīng)，工況3為Y向振動作用下天線陣面的位移響應(yīng)，工況4為X向振動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結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸鏈計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，從而實現(xiàn)機電兩場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算中，得到不同的陣元結(jié)構(gòu)誤差對天線電性能的影響結(jié)果，具體見表3。

可以看出結(jié)構(gòu)變形誤差工況1對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°，明顯的影響了整個雷達的跟蹤精度，同時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）對天線電性能的影響不顯著，但通過對三者之間的對比可以看出天線位置平移對天線電性能基本不影響，繞X軸的旋轉(zhuǎn)對天線波束指向的影響具有線性關(guān)系，這兩點通過天線理論也可以得出。

表3 陣元結(jié)構(gòu)誤差對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誤差，對天線電性能的影響也是隨機分布的，采樣了三種隨機計算結(jié)果，總的來說對波束寬度和指向影響不明顯，對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天線電性能的影響在仿真計算結(jié)果中是最大的，對天線增益、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。實際中此種情況是不會出現(xiàn)的，因為天線在第一階固有模態(tài)下的變形誤差（極其惡劣，應(yīng)規(guī)避）是不會發(fā)生的，只是一個計算的表征量。