基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，用于指導(dǎo)面板表面的加工和天線電性能仿真分析與評(píng)價(jià)，本發(fā)明把受表面誤差影響的遠(yuǎn)場(chǎng)表示為理想場(chǎng)與誤差場(chǎng)之和，在求天線平均功率時(shí)可將不同面板之間的誤差功率簡(jiǎn)化為零處理，減少了計(jì)算量；根據(jù)天線的實(shí)際分塊形式計(jì)算表面加工誤差對(duì)電性能的影響，更接近于工程實(shí)際；利用精確的四重?cái)?shù)值積分求解單塊面板的平均誤差功率，避免了傳統(tǒng)積分時(shí)間隔矢量Δ無法完整表示的缺陷；通過仿真分析得出表面誤差均方根的上限值，避免了憑經(jīng)驗(yàn)提出過高的精度要求，降低了加工難度同時(shí)又滿足電性能指標(biāo)。
【專利說明】基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響 的方法，用于指導(dǎo)面板表面的加工和天線電性能仿真分析與評(píng)價(jià)。

【背景技術(shù)】
[0002] 反射面天線作為最常用的微波毫米波高增益天線，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)測(cè)控、衛(wèi)星通 信、射電天文等領(lǐng)域，將來還有可能作為微波武器以及能量傳輸?shù)墓ぞ?。由于其工作在較高 頻段，電磁性能易受到各種誤差的影響。反射面天線表面誤差主要有兩種：系統(tǒng)誤差和隨機(jī) 誤差。系統(tǒng)誤差主要包括天線的自重變形、太陽(yáng)不均勻照射引起的熱變形以及其它環(huán)境載 荷引起的變形；隨機(jī)誤差則來自于面板表面的加工誤差以及拼接時(shí)的安裝不確定性，對(duì)天 線性能有比較明顯的影響。長(zhǎng)期以來，Ruze公式在某種程度上有效地指導(dǎo)了天線的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，其本人也被公認(rèn)為系統(tǒng)研究微小相位誤差對(duì)反射面天線增益損失以及副瓣電平影響的 第一人。但是Ruze理論假設(shè)整個(gè)口徑面的相位誤差呈相關(guān)半徑為c的高斯帽狀分布，并沒 有考慮由面板拼接而成的反射面中的高斯帽跨界計(jì)算問題。其之后的學(xué)者盡管進(jìn)一步完善 了 Ruze公式，但同樣沒有按照面板的拼接形式來計(jì)算表面制造誤差對(duì)天線性能的影響。
[0003] 隨著反射面向著大口徑、高頻段、高增益的方向發(fā)展，仍用Ruze公式作為指導(dǎo)將 會(huì)對(duì)表面精度提出極為苛刻的要求，使結(jié)構(gòu)工程人員在背架保型、面板加工及裝配方面將 面臨巨大挑戰(zhàn)。然而實(shí)際上也許并不需要達(dá)到如此高的精度就可以滿足電性能的要求，因 此，更為準(zhǔn)確而詳細(xì)的性能預(yù)測(cè)顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法， 以便通過準(zhǔn)確的仿真分析給出面板表面加工精度的合理要求，從而指導(dǎo)面板加工。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的 方法，其特征是：至少包括如下步驟：
[0006] (1)把單塊面板遠(yuǎn)場(chǎng)積分表達(dá)式中的相位影響項(xiàng)進(jìn)行一階泰勒展開，將遠(yuǎn)場(chǎng)表示 為理想場(chǎng)與誤差場(chǎng)之和；
[0007] (2)根據(jù)加工工藝確定每塊面板的隨機(jī)誤差相關(guān)半徑，然后得到同塊面板不同位 置處的誤差相關(guān)函數(shù)，最后求得每塊面板任意兩點(diǎn)法向隨機(jī)誤差

【權(quán)利要求】
1. 基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，其特征是：至少包括如下步 驟： (1) 把單塊面板遠(yuǎn)場(chǎng)積分表達(dá)式中的相位影響項(xiàng)進(jìn)行一階泰勒展開，將遠(yuǎn)場(chǎng)表示為理 想場(chǎng)與誤差場(chǎng)之和； (2) 根據(jù)加工工藝確定每塊面板的隨機(jī)誤差相關(guān)半徑，然后得到同塊面板不同位置處 的誤差相關(guān)函數(shù)，最后求得每塊面板任意兩點(diǎn)法向隨機(jī)誤差Yubi)與Y nii(P2)乘積的 均值〈Yn，i(P D Yn，i(P 2)> ; (3) 利用法向誤差與相位誤差的關(guān)系求得每塊面板任意兩點(diǎn)相位誤差δη^(Ρι)與 δ n;i ( Ρ 2)乘積的均值〈δ n i ( p D δ n i ( ρ 2) > ; (4) 將面板在遠(yuǎn)場(chǎng)的誤差場(chǎng)強(qiáng)δ E?i與其共軛相乘并求平均，推導(dǎo)得出單塊面板 在遠(yuǎn)場(chǎng)的平均誤差功率表達(dá)式
(5) 確定每塊面板的積分區(qū)間參數(shù)，包括徑向參數(shù)，S卩：?jiǎn)螇K面板的內(nèi)、外徑：an，a12, a21，a22 ;周向參數(shù)，S卩：?jiǎn)螇K面板兩端弦的角度坐標(biāo)：α η，α 12, α 21，α 22 ; (6) 將步驟（3)得出的〈δ n，i ( p J δ n，i ( ρ 2) >代入平均誤差功率表達(dá)式中，并將被積函 數(shù)用積分變量表達(dá)，然后通過四重?cái)?shù)值積分得到單塊面板平均誤差功率； (7) 將所有面板在遠(yuǎn)場(chǎng)的平均誤差功率疊加，所得結(jié)果與天線在理想情況下的功率求 和，最終得到含有表面加工誤差的整個(gè)天線在遠(yuǎn)場(chǎng)的平均功率方向圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，其特 征在于：步驟（1)所述的將每塊面板的遠(yuǎn)場(chǎng)表示為理想場(chǎng)與誤差場(chǎng)之和，按如下過程進(jìn)行： (la) 由面板拼接而成的反射面共分為Ν環(huán)，第η環(huán)（η = 1，2，···，Ν)又可分為心個(gè)子 塊；每塊面板的表面都會(huì)存在制造誤差，對(duì)第（n，i)塊面板而言，設(shè)其表面某點(diǎn)處的隨機(jī)誤 差引起的相位誤差為S (p)，則其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖可表示為
式中，
為天線口徑場(chǎng)幅度分布函數(shù)，其中B+C= 1，P為口徑面 上天線某點(diǎn)的半徑，a為天線的半徑，k為電磁波傳播波數(shù)，卩為目標(biāo)方向的單位矢量； (lb) 對(duì)上式中的e#(p)作一階泰勒展開，有
，然后得到
式中，為理想面板在遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向圖，δ En，i為表面隨機(jī)制造誤差引起的誤差場(chǎng) 強(qiáng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，其特 征在于：步驟（2)按如下過程進(jìn)行： (2a)根據(jù)加工工藝確定每塊面板表面隨機(jī)誤差的相關(guān)半徑Lp ; (2b)設(shè)單塊面板上間隔為Λ的任意兩點(diǎn)的表面誤差分別為YlU(Pl)，YlU(p 2)，得 到兩者之間的誤差相關(guān)函數(shù)
式中，，為第（n，i)塊面板的表面均方誤差，Λ為矢量Λ的模值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，其特 征在于：步驟（6)，按如下過程進(jìn)行： (6a)設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O-xyz所在的方向（θ，φ)以方向余弦表示為 (cos a x，cos a y，cos α ζ)，并根據(jù)目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的 夾角與方向余弦的關(guān)系為：
式中，各個(gè)參數(shù)含義是：0，Φ是目標(biāo)點(diǎn)的俯仰與方位角；COS a x, COS a y, COS α ζ是目 標(biāo)向量的方向余弦。 (6b)得到口徑面上某點(diǎn)的矢量與觀察方向單位矢量的關(guān)系
式中，φ' ρ Φ' 2分別為P2的角度坐標(biāo)。然后有
(6c)每塊面板上任意兩點(diǎn)間的間距△用積分變量表示為
(6d)將步驟五、六中各式代入單塊面板平均功率表達(dá)式中，得到
上式是一個(gè)四重積分，可利用數(shù)值積分進(jìn)行求解。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分塊形式計(jì)算面板加工誤差對(duì)電性能影響的方法，其特 征在于步驟（7)按如下過程進(jìn)行： (7a)整個(gè)反射面天線在遠(yuǎn)場(chǎng)的功率方向圖為
上式的平均值就是天線的平均功率方向圖，即
式中，E°為無誤差時(shí)整個(gè)反射面的場(chǎng)強(qiáng)方向圖；假設(shè)各塊面板上的表面隨機(jī)誤 差在相關(guān)半徑內(nèi)服從均值為〇,方差為σ 2的正態(tài)分布，則對(duì)誤差場(chǎng)強(qiáng)的均值而言有
(7b)由于各分塊面板獨(dú)立制造，不同面板之間的表面隨機(jī)誤差并不具有相關(guān)性，因此 在對(duì)所有誤差功率的求和，即上式第四項(xiàng)時(shí)，不同面板之間的誤差場(chǎng)強(qiáng)相乘的均值等于各 自均值的乘積，同樣為〇,即
故只剩下同塊面板自身的功率在遠(yuǎn)場(chǎng)的疊加，因此整個(gè)天線在遠(yuǎn)場(chǎng)的平均輻射功率方 向圖為
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104063587SQ201410257555
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】王猛, 王從思, 王偉, 張逸群, 虞夢(mèng)月, 李鵬, 周金柱, 宋立偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)