天线结构位移场与电磁场耦合建模及分析研究

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电子装备作为机电结合的系统,其机电耦合问题已成为制约电子装备性能提高并影响下一代装备研制的一个瓶颈。本文在多个国家重点项目的支持下,以电子装备中典型案例—反射面天线和平板裂缝天线为研究对象,针对其在分析与设计过程中,存在的机械结构位移场与电磁场的场耦合问题进行了深入研究与探索,主要内容包括:(1)针对反射面天线机电场耦合问题,综合考虑结构位移场引起的系统误差,以及制造和装配精度带来的随机误差,针对影响电磁场边界的主反射面变形、馈源位置和指向误差等主要误差,确定其与天线远场方向图的影响关系,建立反射面天线结构位移场与电磁场的场耦合理论模型。针对反射面天线结构和电磁网格不匹配的问题,采用结构和电磁网格矩阵转换的方法进行场耦合模型求解。经3.7米Ku频段卡塞格伦天线变形实验,验证了场耦合理论模型的正确性。(2)为降低反射面天线结构变形对电性能影响,提出一种基于机电场耦合理论模型的馈源调整方法。在天线结构设计变量不变的情况下,构建以馈源位置和指向为设计变量,以天线电性能为目标函数的优化设计数学模型,弥补机电分离时馈源调整方法的不足。与最佳吻合面的馈源调整方法相比,可有效改善天线电性能。相关结论可为工程实践提供参考。(3)针对平板裂缝天线机电场耦合问题,综合考虑系统误差和随机误差,从天线阵面平面度入手,针对影响电磁场边界的辐射单元(辐射缝)位置偏移、指向偏转,以及结构变形引起的缝电压幅相误差,确定其与天线远场方向图的影响关系,建立平板裂缝天线结构位移场与电磁场的场耦合理论模型。给出场耦合模型的顺序求解方法,并重点说明缝电压误差的计算方法。分别经Ku频段弹载和X频段机载平板裂缝天线的实物实验,验证了场耦合理论模型的正确性。(4)就随机振动对机载雷达天线电性能的影响问题进行了研究。首先利用随机振动环境下天线结构响应的位移协方差矩阵,提出天线结构变形的随机样本生成方法,结合平板裂缝天线机电场耦合理论模型分析随机振动对天线电性能的影响。其次,根据天线结构响应的位移和应力分布信息,确定出天线结构的薄弱环节,提出结构改进方案,并分析随机振动对改进模型电性能的影响。数值结果表明改进模型可有效降低增益损失和指向误差,可为机载雷达天线工程设计人员提供参考。(5)针对平板裂缝天线焊接后存在的结构变形对电性能影响问题,应用有限元方法和生死单元技术,对天线热加工过程进行数值模拟,分析材料物性参数和温度曲线与焊接后结构残余应力和变形的影响关系,并结合机电场耦合理论模型分析焊接变形对天线电性能的影响。着重讨论温度曲线与焊接变形及其电性能的影响关系,提出了焊接温度曲线的改进方案,降低焊接后的结构残余应力和变形,改善天线电性能。相关结论可为工程实践提供参考。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第12-24页
    1.1 研究背景和意义第12-14页
    1.2 场耦合问题研究现状第14-20页
        1.2.1 场耦合问题的概念第14-16页
        1.2.2 场耦合问题的数学建模第16页
        1.2.3 场耦合问题的求解策略与方法第16-18页
        1.2.4 场耦合问题的国内外研究现状第18-19页
        1.2.5 电子装备场耦合问题的国内外研究现状第19-20页
    1.3 本文的主要工作第20-22页
    1.4 本章小结第22-24页
第二章 反射面天线的机电场耦合理论模型及实验验证第24-42页
    2.1 引言第24-25页
    2.2 反射面天线机电场耦合模型第25-31页
        2.2.1 理想反射面天线的远场方向图第25-26页
        2.2.2 主反射面变形的影响第26-28页
        2.2.3 馈源位置误差的影响第28-29页
        2.2.4 馈源指向误差的影响第29-30页
        2.2.5 机电两场耦合模型第30页
        2.2.6 双反射面天线第30-31页
    2.3 机电场耦合模型的求解第31-34页
        2.3.1 场耦合模型的求解问题第31-32页
        2.3.2 场耦合模型的求解方法第32-34页
    2.4 机电场耦合模型的实验验证第34-40页
        2.4.1 实验对象第34页
        2.4.2 实验的基本思想第34-36页
        2.4.3 计算和实验结果及讨论第36-40页
    2.5 本章小结第40-42页
第三章 变形反射面天线的馈源位置和指向研究第42-50页
    3.1 引言第42页
    3.2 馈源位置和指向的优化设计第42-44页
        3.2.1 馈源位置和指向的优化模型第42-43页
        3.2.2 馈源位置和指向的优化流程第43-44页
    3.3 数值模拟第44-49页
        3.3.1 实验对象第44-45页
        3.3.2 馈源位置和指向误差的影响第45-48页
        3.3.3 优化分析结果及讨论第48-49页
    3.4 本章小结第49-50页
第四章 平板裂缝天线机电场耦合理论模型及实验验证第50-72页
    4.1 引言第50-52页
    4.2 平板裂缝天线机电场耦合模型第52-56页
        4.2.1 理想平板裂缝天线远场的计算第52-54页
        4.2.2 辐射缝位置偏移的影响第54-55页
        4.2.3 辐射缝指向偏转的影响第55页
        4.2.4 馈电网络变形对辐射缝电压的影响第55-56页
        4.2.5 机电两场耦合模型第56页
    4.3 机电场耦合模型的求解第56-60页
        4.3.1 场耦合模型的求解问题第56-58页
        4.3.2 场耦合模型的求解方法第58-60页
    4.4 某Ku 频段弹载平板裂缝天线第60-64页
        4.4.1 实验对象第60-61页
        4.4.2 实验步骤第61-62页
        4.4.3 实验结果及讨论第62-64页
    4.5 某X 频段机载平板裂缝天线第64-69页
        4.5.1 实验对象第64-65页
        4.5.2 实验方法第65-67页
        4.5.3 实验结果及讨论第67-69页
    4.6 本章小结第69-72页
第五章 随机振动对机载雷达天线电性能的影响第72-92页
    5.1 引言第72-73页
    5.2 随机样本生成方法第73-75页
    5.3 随机振动对天线电性能影响的数学模型第75-76页
    5.4 某机载雷达天线的仿真分析第76-82页
        5.4.1 某机载雷达天线结构及有限元模型第76-78页
        5.4.2 随机振动和电性能分析第78-82页
    5.5 雷达天线结构的改进第82-90页
        5.5.1 基座中心区域改进第83-84页
        5.5.2 横滚轴前端改进第84-85页
        5.5.3 俯仰轴与天线连接处改进第85-86页
        5.5.4 初始模型与改进模型对比第86-90页
    5.6 本章小结第90-92页
第六章 平板裂缝天线热加工过程的数值模拟及其对电性能影响分析第92-110页
    6.1 引言第92-93页
    6.2 天线钎焊的数值模拟方法第93-96页
        6.2.1 天线盐浴焊工艺分析第93-94页
        6.2.2 钎焊数值模拟方法第94-95页
        6.2.3 天线钎焊的数值模拟第95-96页
    6.3 天线钎焊的数值模拟分析第96-108页
        6.3.1 钎焊仿真对象第97-99页
        6.3.2 钎料热膨胀系数的影响第99-102页
        6.3.3 钎料熔点的影响第102-103页
        6.3.4 钎焊温度曲线的影响第103-106页
        6.3.5 钎焊温度曲线的改进第106-108页
    6.4 本章小结第108-110页
第七章 总结与展望第110-112页
    7.1 工作总结第110-111页
    7.2 今后工作展望第111-112页
致谢第112-114页
参考文献第114-124页
攻读博士学位期间的研究成果第124-126页
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