机载有源相控阵天线热适应性仿真及其校核验证方法研究

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随着机载有源相控阵天线向着高度集成化方向发展,天线的环境适应性面临更高要求与全新挑战。由于具有高效率、低成本、可贯穿产品设计周期等优势,仿真技术在环境适应性评估与优化设计过程中得到越来越广泛的运用。现代有源相控阵天线热功率高,且机载平台空间极为有限,机载有源相控阵天线的热设计是其环境适应性设计中的重点和难点。而由于热量的产生与传递过程及其对天线性能的影响途径复杂,机载相控阵天线热适应性仿真也存在较大的困难。为提高仿真的准确性和效率,更好地保障天线环境适应性能优化,本文开展机载有源天线热适应性仿真及其校核验证方法研究,主要工作如下:首先,详尽分析了机载有源相控阵天线热适应性问题的特点。结合机载有源相控阵天线的组成原理、机载平台特点,从热量来源、热量传递途径及环境热特征三个角度详细分析了机载有源相控阵天线的热适应性问题,并从物理机理上分析了热对机载有源相控阵天线的影响。其次,总结了相控阵天线设计的一般流程及其中应用的常规仿真方法,并以某微带天线阵为对象开展了详细设计,设计结果将作为后续热适应性仿真分析的基本对象。电磁仿真结果表明,微带天线具备优良电磁性能;热流仿真结果表明,天线冷板满足散热与压降要求。再次,基于所建立的天线模型及总结的热适应性问题特点,开展热适应性仿真方法研究。为保证仿真准确性,仿真模型中考虑天线的不同工作状态设置其热源功率及环境温度、换热条件,考虑温变效应设置材料参数,并通过“热-力-电磁”耦合仿真反映热变形对天线性能的影响。进一步地,为提升热适应性仿真效率,分析了仿真过程中主要因素及其对结果影响规律,结果发现:(1)不同温度下的介质板介电常数变化、冷却工质热物性参数变化和阵面热变形是热适应性仿真中应考虑的主要因素;(2)温度升高引起的相对介电常数变化将导致天线增益下降、频点漂移,而热变形使得天线增益下降,副瓣电平抬升。最终,结合天线热适应性仿真特点及VV&A方法原理,讨论分析了机载相控阵天线热适应性仿真的校核与验证方法。采用网格收敛指数法,评估了天线热流仿真及结构仿真中的网格误差,基于灵敏度系数传播法,总结了天线热流、电磁仿真、结构仿真中的验证变量与一般验证流程。
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