有源相控阵天线具有可靠性高、功能多、隐身性能好等无可比拟的优势,已广泛应用于战略导弹预警、机载火控、卫星成像等众多领域。随着世界军事技术的发展,有源相控阵天线向着高密度、高增益、低副瓣等方向发展,机电热耦合问题已成为高性能有源相控阵天线实现的瓶颈。为此,本文对有源相控阵天线的机电热耦合建模、结构误差影响机理和机电热集成优化设计方法进行了研究,主要工作如下:(1)有源相控阵天线机电热耦合问题研究的关键是建立机电热耦合模型,现有研究中只建立了包括阵面载荷变形和热变形的初步机电热耦合模型。为此,本文深入研究了阵元位置误差引起的口面空间相位差和阵元互耦的变化,同时考虑阵元指向偏转研究了阵元阵中方向图的变化,并分析了温度对器件性能的影响,由此建立了包括阵元位置偏移和偏转、阵元互耦和阵中方向图畸变以及器件性能温漂的有源相控阵天线机电热耦合模型。另外,给出了矩形栅格平面阵的结构-电磁耦合统计模型。机电热耦合模型的建立为误差影响机理和机电热集成设计的研究奠定了理论基础。(2)完成了有源相控天线实验模型方案设计与试制,验证了机电热耦合模型的正确性。首先设计并加工了准八木天线单元、功分器、冷板、T/R模拟热源等样件,组成1×8线阵,通过人为调节阵元位置形成不同的位置误差,实测天线的电性能变化。同时,利用机电热耦合模型和商业软件计算相同系统误差下线阵的电性能变化,通过与实测结果对比来验证了机电热耦合模型的正确性。另外,采用液冷散热方式实测T/R组件的壳温,进而利用机电热耦合模型研究了T/R组件性能温漂对天线电性能的影响机理。结果表明,T/R组件壳温应低于70℃,最大温差应小于10℃。(3)阵元位置随机误差会导致天线电性能恶化,特别是副瓣电平,已有研究中将阵元位置误差的影响等效为激励电流幅相误差的影响,进而利用概率统计方法进行分析。但阵元位置随机误差作为一种结构公差,其对天线电性能的影响并不能简单的用激励电流幅相误差影响来衡量。为此,本文从机电热耦合的角度研究了阵元位置安装随机误差的影响机理,先将阵元位置随机误差细分为阵元安装精度和安装平面度,再利用机电热耦合模型分析了矩形栅格阵和不同阵面大小的三角栅格阵中阵元位置安装随机误差的影响,得出了相关数据和曲线,可为天线的结构设计提供相应的指导。(4)阵元安装公差确定是有源相控阵天线结构设计的关键问题之一,对所有阵元制定一个安装公差是常用方法,但会增加制造难度和成本。为此,本文提出了一种考虑阵元位置影响的阵元安装公差确定方法。先指定阵元安装公差的初始临界值,确定安装公差的初始区间,再求阵因子关于阵元位置的偏导数,获得天线电性能对阵元位置误差的敏度信息,由此确定每个阵元安装公差区间的变化速率。然后在阵元安装公差区间内生成上千的阵元位置随机误差样本,并利用耦合模型计算天线电性能。当95%的误差样本得到的电性能满足要求,则此时的临界值即为阵元位置安装公差。案例分析结果表明所提方法可行、有效。(5)有源相控阵天线的工作环境非常复杂,振动、热功耗等引起的阵面结构变形和阵元位置随机误差同时存在,两类误差性质和量级均不同,而现有研究单独分析两类误差的影响。为此,本文基于耦合模型研究了服役环境下阵面结构变形与阵元位置随机误差的综合影响机理。不考虑随机误差统计影响时,分析了矩形栅格阵中,阵面结构变形、阵元位置随机误差和阵面大小与天线电性能之间的影响关系,并与矩形栅格阵结构-电磁耦合统计模型的分析结果进行对比分析,讨论了是否需要考虑随机误差统计影响的条件。最后,开发了有源相控阵天线的机电耦合性能计算软件。(6)传统的有源相控阵天线设计方法为机电热分离设计,存在着产品重复率高、研制周期长、单学科指标过于苛刻等问题。为此,本文基于机电热耦合模型,研究了机载有源相控阵天线的机电热集成设计方法。建立了以天线增益和重量为目标的机电热集成优化数学模型,冷却液入口流速、冷板流道截面尺寸为优化变量。优化过程涵盖了结构参数化建模、热分析、热-结构网格匹配、结构变形分析以及机电热耦合模型计算电性能等步骤。数值实验结果表明,机电热集成优化设计方法既能保证天线电性能,又能得到最佳的散热设计和结构设计方案,有效降低天线重量。