（机械电子工程专业论文）基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析.pdf

摘要 本论文以反射面天线为研究对象，以有限单元分析方法原理和物理光学法为 理论基础，针对现有反射面机电综合分析方法的不足，提出了一种基于异构系统 集成的反射面天线的机电综合分析的新方法。首先，基于结构有限元理论，通过 a n s y s 的结构分析得到由节点位移描述的天线变形后反射面的网格模型；其次， 通过实现a n s y s 和高频电磁分析软件f e k o 的系统集成，将变形反射面的网格 模型导入f e k o 中；最后，使用物理光学法( p o ) 计算出变形反射面天线辐射场 及其辐射方向图。 本文通过算例验证了f e k o 计算天线电性能的可行性和结果准确性；在分析 研究a n s y s 和f e k o 的功能特点的基础上，编写了适合解决本文问题的数据集 成接口程序，完成了a n s y s 到f e k o 的模型数据类型格式的转化；解决了该异 构系统间网格模型的单元形状不匹配的问题，实现了这两种异构软件系统的集成。 该技术是反射面天线的机电综合分析的关键技术。此外，本文还对大型天线机电 协同设计系统的流程与功能界面进行了初步的设计。 、 分别使用本文提出的方法和曲面拟合法对发生局部大变形的反射面天线进行 了仿真，并给出了对比结果。仿真结果表明，本文提出的基于异构系统集成的反 射面天线机电综合分析方法，可以更真实地反映出天线反射面局部大变形对其电 性能的影响。该方法为设计阶段的大型反射面天线电性能的准确预估分析提供了 有效的手段，具有现实意义。 关键词：反射面天线变形物理光学方向图数据接口 a b s t r a c t mt h i st h e s i s ，b a s e do l lt h es t u d yo b j e c to f r e f l t o r 赳曲即缸鹤a n dt h et h e o r yo f p h y s i c a l o p t i c sa n dt h ep r i n c i p l ei nf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da i m e da tt h ed i s a d v a n m g e so n m e t h o d so ft h ee l e c t r o m e c h a n i c u ls y n t h e t i ca n a l y s i so nr e f l e c t o ra n t e n n a s an e w m e t h o db a s e d0 1 1h e t e r o g e n e o u ss y s t e mi n t e g r a t i o ni sp u tf o r w a r d f i r s t l y , am e s h m o d e lo fd i s t o r t e dr e f l e c t o rd e p i c t e db yd i s p l a c e m e n to ft h en o d e so nr e f l e c t o ri s o b t a i n e dt h r o u g ht h ea n a l y s i si na n s y s ；s e c o n d l y , t h em e s hm o d e li si n t r o d u c e di n t o f e k ob ya c t u a l i z i n gi n t e g r a t i o nb e t w e e na n s y sa n df e k o ；l a s t l y , t h er a d i a t i o n p a t t e r no ft h ed i s t o r t e dr e f l e c t o ra n t e n n ac a nb ec a l c u l a t e dd i r e c t l yb yt h ep h y s i c a l o p t i c sm e t h o d ( p o ) t h ee x a m p l e ss h o wt h a tt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fa n t e n n a sc a nb ec a l c u l a t e db y f e k o ，a n dt h er e s u l t sa r ec r e d i b l e b a s e do n 咖d yo ft h e 劬c t i o n so fa n s y sa n d f e k o ，ad a t ai n t e g r a t i o ni n t e r f a c ep r o g r a mt os o l v et h ep r o b l e mi nt h i st h e s i si s c o m p i l e d t h ed a t ai n t e r f a c ea c h i e v e st h ef o r m a tc o n v e r s i o no ft h ed a t am o d e lf r o m a n s y st of e k o ，m a t c h e st h ed a t ao ft h em e s hm o d e l sc o m ef r o mt h et w od i f f e r e n t s o f t w a r es y s t e m s ，a n dr e a l i z e si n t e g r a t i o no ft h et w os o f l w a r e s t h ed a t ai n t e r f a c ei sa k e yt e c h n o l o g yf o rt h ee l e c t r o m e c h a n i c a la n a l y s i so nt h er e f l e c t o ra n t e n n a si nt h i s t h e s i s i na d d i t i o n , t h e p r i m a r y i n t e r f a c e sa r cd e s i g n e df o rt h es y s t e mo f e l e e t r o m e e h a n i c a lc o o p e r a t i v ed e s i g nf o rt h eb i gr e f l e c t o ra n t e n n a si nt h i st h e s i s t h er e f l e c t o ra n t e n n aw i t hl o c a ld e f o r m a t i o ni sc a l c u l a t e db yt h es u r f a c ef i t t m gm e t h o d a n dt h em e t h o dp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s ，t h ec o m p a r a t i v er e s u l t sa r ep r o p o s e d t h e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i sf o rc a l c u l a t i n gt h e e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ed i s t o r t e dr e f l e c t o ra n t e n n ac a l ld e p i c te f f e c t so fd i s t o r t e d r e f l e c t o ra n t e n n ao ni t se l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ef a c t u a l l y i to f f e r se f f i c i e n tm e 距sf o r a n a l y z i n gt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo f r e f l e c t o ra n t e n n a sv e r a c i o u s l yi nd e s i g n , a n di t i so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：r e f l e c t o ra n t e n n a d e f o r m a t i o n p h y s i c a lo p t i c s r a d i a t i o np a t t e r n d a t ai n t e r f a e e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名；日期：如口甲，形 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名 日期：矽蟹上乡 日期：捌：! ：! 多斟越 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及其意义 本文工作来源于国防基础科研项目“大型天线结构协同设计”。 反射面天线被广泛应用于通信、雷达、导航、航空和航天等各个领域，其设 计的最终目的是保证电性能指标。要实现这一目标离不开电磁设计与机械结构设 计，因为两者是相互耦合的。天线的电性能( 如效率等) 指标将直接依赖于反射 面表面的精度，而表面精度又取决于背架的刚度、面板装配的准确与否、座架及 伺服系统的性能及整个系统的测量精度等等。在自重、风荷、温度、冰雪以及冲 击载荷作用下，天线表面精度将受到影响，这就导致电磁场边界条件发生变化， 因而影响天线的电性能指标。 对于大型反射面天线，其在制造与安装时，反射面往往不能与设计抛物面完 全吻合，并且在各种载荷作用下，更容易发生变形，背架上各节点就会产生位移， 这样反射面将不再是一个光滑的曲面。反射面实际形状与理论设计形状不一致， 将使天线电性能变坏，例如增益下降和副瓣电平变高。为了可以在天线的设计阶 段对天线机械结构性能对其电性能的影响进行合理的预估分析，就需要有对变形 反射面天线进行机电综合分析的有效方法。 1 2 反射面天线机电综合分析方法研究现状 反射面天线结构是典型的机电一体化结构，其机械性能与电性能相互影响， 相互制约。这就决定了机电综合分析时，机械、电磁设计不可分离，必须考虑机 械位移场和电磁场的耦合问题，为反射面天线的机电综合设计和分析提供有效的 方法。机电综合的方法是近些年来发展的趋势。它是要得到一种表达天线结构位 移等因数和天线电性能之间关系的公式，从而能够全面地描述出天线由于重力、 温度等载荷引起的系统误差和加工、安装时所产生的随机误差与天线电性能之间 的关系。国内外也有不少学者一直在研究这方面的问题。 1 2 1 国外研究现状 1 9 6 7 年，v o n h o e r n e r 提出了最佳吻合和保型设计1 2 】。它是针对双反射面天 2 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 线的主面在重力变形的情况下，用另外一个抛物面来逼近该变形的抛物面，再把 副面焦点移到主面的新焦点上去吻合。该方法主要是从天线的结构设计角度考虑 消除天线反射面变形的影响，满足其电性能的要求。 许多学者从机电一体化的角度出发研究天线反射面变形与天线电性能关系。 1 9 5 2 年j o h nr u t z 利用统计的分析方法提出了著名的r u t z 公式【3 】。它假定天线反 射面表面的误差是随机的且按正态分布；各误差点间的相关距离远大于波长而又 远小于天线口面尺寸。于是就得到了天线效率随天线反射面表面精度的下降而下 降的数学关系式。随着低副瓣电平、多波束多扫描天线的需求，y r a h m a t 等学者 研究了随机误差对平均功率方向图和副瓣电平的影响f ”】。还有许多学者通过有限 单元法分析不同工况下的天线的变形，运用几何光学法计算了变形反射面天线的 方向图，并利用这些研究来指导表面面板调整和反射面天线的机电综合优化【s 删。 w t s m i t h 运用几何光学和物理光学法对变形反射面天线的电性能的计算进行了 公式推导，但是这种方法仅对反射面的均方根误差在0 1 倍的波长内是有效的【l 。 有学者运用物理光学法对变形反射面天线的焦区的辐射场进行了计算【j 。 也有一些学者做了关于反射面天线的系统误差对天线电性能影响的研究。有 学者对反射面天线的系统误差进行了数学假设，分为周期性系统误差和非周期性 系统误差，总结出一些有价值的结构参数对电性能影响的规斜1 2 1 3 1 。也有学者对 确定性对称的系统误差对反射面天线的影响进行了研究，其研究只是描述了天线 反射面有规律的变形对天线电性能的影响【l 5 1 。同样还有许多学者在反射面天线 在随机和系统载荷作用下发生变形对其电性能影响方面做了很多研究工作 t 6 - 1 7 】。 此外，有学者也在对变形反射面天线进行补偿以至于其保持良好的电性能 i s - 2 0 。 还有一些学者在天线结构因素对天线电性能的影响方面也做出了很有价值的 研究1 2 1 - 3 0 l ，文献 2 1 2 3 】研究了馈源支架对反射面天线的遮挡效应。文献 2 4 2 7 】研 究了有馈源遮挡和支架遮挡时的反射面天线辐射场的计算方法。文献 2 8 3 0 1 研究 了不同截面形状的馈源支架对天线电性能的影响，并得到对天线电性能影响最小 的最优支架截面形状。 1 2 2 国内研究现状 随着我国在天线技术领域的发剧”- 3 2 ，国内对天线反射面变形对天线电性能 影响的研究也比较深入。用于天线反射面变形研究的最佳拟合抛物面法和曲面拟 合方法都有其创新的地方3 3 - 3 s 1 。文献【3 4 】对任意变形的天线反射面进行最佳吻合 设计以保证其良好的性能，该方法主要用于天线结构的保形设计。文献 3 5 1 针对 卡塞格伦天线的抛物面主反射面和双曲面副反射面，从最小二乘法原理出发求出 第一章绪论 3 最佳拟合曲面。其是以变形曲面的实测点和未变形曲面的理想点之间的轴向误差 构成最小二乘法的条件，从而得到最佳拟合抛物面，再以此作为理想反射面，就 可以得到最小的r m s 误差。文献 3 6 】也是基于最d x - - 乘法原理，运用拟合的方法 得到能够反映出天线变形反射面实际状况的最佳拟合抛物面，然后再进行电性能 计算。然而，最佳拟合抛物面法只是对天线变形曲面的整体进行拟合的种分析 方法，它不能反映反射面的局部大变形情况。于是文献 3 7 1 的作者提出了一种变 形曲面的分块c o o l l s 拟合方法。该方法的基本原理就是把反射面分成多个区域， 每个区域单独进行c o o l i s 拟合，同时保证每个曲面拼接时连续且光滑。从而得到 反射面详细的变形信息，以对其进行精确的公差分析，使得口径场相位误差的分 析更接近实际情况，最终能够准确地反映出天线变形对其电性能造成的影响。 国内从天线机电一体化设计的角度1 3 9 - - 4 0 考虑其结构和电性能关系的研究也有 一定的发展。首先涉足于该领域的是研究双反射面天线的副反射面形状的预优设 计问题，追求的目标是天线的效率，设计变量为决定副面形状的广义参数【4 1 1 。也 有学者提出了以双反射面天线效率为目标，副面支撑腿截面尺寸和支撑杆数为设 计变量的机电一体化优化设计数学模型【4 2 】。除了上述研究，还有学者分别就双反 射面天线旁瓣的机电一体化与结构参数对交叉极化的影响进行了研究 4 3 - 4 4 1 。上述 工作均未能就电磁场与反射面位移场的关系得出更深入的结果。因此，又有学者 提出反射面天线的表面误差的分类，建立更为合理的、适用于系统误差的效率关 系附】。并提出从天线馈源相位中心的角度出发，进行了更为深入的研究，推导出 了更为重要的电磁与结构关系新的表达式 4 6 1 。此外，还有许多学者在计算变形反 射面天线的电性能的研究中也做了许多工作【4 7 - 5 2 。 除此之外，计算天线电性能的方法也有了进一步的发展。常用的有高频近似 方法中，几何光学法( g o ) 和物理光学法( p o ) 比较常用，其在一定范围内是 可以较准确的计算出天线的电性能，但他们都有其各自的局限性【5 3 1 。从而就产生 了几何绕射理论( g t d ) ，进而又产生了一致性几何绕射理论( u t d ) 。这些方 法的产生都是为了能够更精确的计算辐射场和散射场畔】。但是任何一种方法都不 是万能的，这就产生了混合法【5 5 1 ，即就是利用两种或两种以上的方法共同来解决 辐射和散射的问题。这些方法的产生和发展也将提高天线结构位移场和天线电性 能之间的关系的准确性。 综上所述，在天线反射面变形对其电性能影响的研究中，现有的应用于工程 中的有效的机电综合分析方法有两种，基于r u t z 公式的方法和曲面拟合的方法。 经典的r u t z 公式是对天线的效率和反射面的误差关系的描述。它仅限于描述随机 误差( 如：加工误差等) 对反射面天线电性能影响的情况。该方法由于根据工作 频段给定天线的效率要求，并由此给出增益要求的反射面误差的均方根，机械结构 设计人员会千方百计去满足对均方根的要求，所以易导致机、电设计的脱节；其 4 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 次，它只反映误差对增益一个电性能指标的影响，而没有反映出误差对所有电性 能指标的影响。曲面拟合方法是根据节点位移场，通过曲面拟合得到一个最佳吻 合反射面来代替变形的反射面，然后再利用该吻合反射面近似计算出反射面天变 形后的电性能。该方法常用于天线结构保型设计中，它是为了保证天线在重力、 风荷、温度等载荷的作用下，保持良好的电性能。只是一种变形曲面的整体拟合 方法，其不能真实地反映出天线反射面的局部较大变形的情况。此外，也有一些 关于反射面天线的系统误差对天线电性能影响的研究。这些研究只是描述了天线 反射面有规律的变形对天线电性能的影响，仍然不能反映反射面无规律变形或者 局部变形对天线电性能的影响。 1 3 系统集成技术发展现状 系统集成( s y s t 黜i n t e g r a t i o n ) ，美国i d c 公司认为：系统集成是将软件、 硬件与通信技术组合起来为用户解决信息处理问题的业务。m m 公司把系统集成 定义为将信息技术、产品与服务结合起来实现特定功能的业务。美国大型系统集 成商i n p u t 公司认为系统集成是由一家厂商全面承包用户的大型复杂信息系统， 负责系统设计，利用硬件、软件与通信技术实施包括资源调查、文档管理、用户 培训与运行支持在内的全面项目管理【5 6 1 。 归纳国内系统集成的经验来看，所谓系统集成简单地讲就是用全局的观念设 计、优化整个企业的信息系统，使信息可以在整个系统内有效地采集、传递、处 理和利用，其本质是对信息的集成。系统集成包括人员、业务流程和技术的集成。 所谓人员的集成是指对员工变革企业需求的激发，对企业信息化价值的认识， 培养信息技术能力，建立信息系统的组织机构，制定新型的规章制度，也包括系 统集成的技术人员与用户的集成。 所谓业务流程集成是指采用系统论的方法，依据企业内外生存环境从整体出 发重新设计企业经营策略、经营流程与生产流程既解决整体优化又解决主要业务 “瓶颈”。 所谓技术集成是指将不同软、硬件厂商的产品组合成用户最佳实际解决方案， 实现用户建设信息系统的目的。技术集成包括如下五个部分： ( 1 ) 应用层集成。它体现了用户建网的目的；如：c a d c a e ，c a m 、文档管理、电 视会议、i n t r a n e t 系统等。 ( 2 ) 数据库层集成。即应用层所依赖的数据库系统；如：o r a c l e 、s y s t e m 等。 ( 3 ) 操作系统层集成。包括网络结点操作系统和通信软件；如：u n i x 、w i n d o w s n t 、t c p i p 等。 第一章绪论 5 ( 4 ) 网络骨架层集成。包括网络设备和布线系统；如：集线器( h u b ) 、路由器( r o u t e r ) 、双绞线、光纤等。 ( 5 ) 用户节点层的集成。包括微机、工作站、小型机、打印机、绘图仪等。 系统集成行业的快速发展是各行业r r 软硬件设备被大量普及应用的必然结 果之一。近年来，它已经成为全球发展最快的r r 服务产业。在我国，系统集成行 业的年收入也高达上百亿元，而且年增长率高达2 0 多。系统集成技术已经渗透 到航空器设计、电子监控、通讯技术、数码技术、数控机床、c a d 软件工程、管 理软件集成、办公软件集成、工业制造、教育、交通、能源等各主要领域t 5 7 - 6 “。 随着3 g 技术、宽带无线技术、“e 家佳”信息家电技术的产业化推广，我国系统 集成行业将迎来新的高速发展时期。例如，随着3 g 技术的推广，运营商将采购 大量新设备、新系统，对新旧设备和系统的集成、管理、维护需求将快速增长。 些新业务，以及相关的管理系统、集成设备等也会随着3 g 技术快速普及。例 如，家庭保安业务将有能力集成红外线扫描、数码探头图像扫描、3 g 手机实时远 程监控录像、预警应急数据库自动检索、自动救助过程跟踪与反馈等相关设备和 软件系统，开拓新的市场领域。总之，在上述三大技术的推动下，以政府、金融、 电信应用为主的系统集成产业格局将转向以企业、家庭应用为主的新格局。在这 种新格局下，系统集成可望成为i t 支柱产业之一。 在国外，m m 、h p 等公司的系统集成业务相当发达。但是，在c a d 等专业 领域，一些专业公司的产品更受欢迎。在国内，东华合创、华胜天成、亿阳信通 等上市企业的系统集成业务发展很快。此外，青鸟、同方、浪潮、中软、亚信、 东软等公司也是该领域的骨干企业。和国外一样，在航空、船舶、化工、国防等 专业领域，某些中小企业的产品更先进，更贴近客户需求，也更受用户欢迎。北 京、杭州、深圳等地有些中小企业甚至已经成为我国系统集成软件产品和服务外 包的骨干供应商。从发展前景看，我国可望在不久的将来崛起为全球系统集成行 业的主要产品、技术、服务输出国【6 2 】。 本文所提及的异构系统集成，则是属于工程应用软件集成的范畴，它是通过 编写高级语言程序来实现不同功能软件系统之间的数据传递、调用以解决单个工 程软件不能解决的实际问题。异构软件系统集成开发过程中的关键技术就是接口 技术，也是异构软件系统间的数据传输问题。异构软件集成方式如图1 - 1 所示。 由图可知，当采用数据接口来进行软件集成时，各系统间是通过前、后置处理器 和具有标准交换格式的文件来联系的【6 ”。 6 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 1 4 i 研究思路 图1 - 1 数据交换接口原理 1 4 课题研究的思路与研究内容 针对上述机电综合分析方法的不足，本论文采用一种基于异构系统集成的反 射面天线机电综合分析的新方法。本文将在实现现有的商品化分析软件集成基础 上完成大型面天线结构机电综合分析。首先，基于a n s y s 结构分析，根据天线 反射面网格单元节点的变形量插述天线真实变形后的反射面形状，并得到变形反 射面的网格模型。其次，通过实现a n s y s 和高频电磁场软件f e k o 异构系统数 据集成的接口技术，再把该变形的模型导入到f e k o 中进行电性能分析，使用物 理光学法( p o ) 计算出每个单元的辐射场。最后，将这些单元的辐射场叠加起来， 计算出变形反射面天线辐射场的数值结果。 该方法能够更真实地描述反射面天线在载荷作用下发生交形对其电性能的影 响，并可以对天线反射面的局部大变形对其电性能的影响进行有效的评估。它也 为大型反射面天线的电性能预估分析提供了有效的手段，为大型反射面天线的协 同设计奠定了基础，使天线在设计阶段可以缩小设计周期和降低成本，具有现实 意义。此外，本文的思想和方法亦可推广应用到，如喇叭馈源、波导器件等的电 性能预估分析之中。 1 4 2 研究内容 首先，本论文通过对国内外有关反射面天线机电综合分析方法的研究和系统 集成的发展进行总结和概括。指出在天线反射面变形对其电性能影响的研究中， 现有的应用于工程的机电综合分析方法的局限性。并通过对结构有限元分析软件 第一章绪论 7 a n s y s 和高频电磁场分析软件f e k o 的了解和熟悉，将提出一种基于这两种软 件系统集成的反射面天线机电综合分析的方法。并将进行该方法可行性论证分析。 其中包括对所选的高频电磁场分析软件f e k o 计算的准确性进行验证。 其次，针对a n s y s 和f e k o 没有成熟的数据接口的情况，将通过对a n s y s 和f e k o 的不同格式的模型数据特点的研究，实现该异构系统的数据集成，编写 出它们之间数据传输的接口程序，解决该异构系统之间网格模型的单元形状不匹 配的问题。该接口可以将a n s y s 分析后的未变形和变形天线反射面网格模型转 化为f e k o 可以识别和进行分析的网格模型数据文件。 再次，针对天线反射面受到局部作用力的情况下发生大变形的案例，将通过 a n s y s 分析得到天线的反射面节点位移，并将变形的反射面天线网格模型导入 高频电磁场分析软件f e k o 进行电性能仿真分析，得到发生局部大变形的反射面 天线的电性能。进而将本文方法与现有的基于最小二乘原理的曲面拟合方法进行 比较，总结出本文方法的优点和长处，即本文提出的基于异构系统集成的反射面 天线的机电综合分析方法，可以对天线反射面局部大变形对其电性能的影响进行 有效的评估，能够更真实地描述反射面天线在载荷作用下发生变形对其电性能的 影响。 最后，对大型天线机电协同设计系统中的流程将进行设计，其中包括工作流 程、数据流程和算法流程，并将对其进行初步的功能界面设计，以保证该系统能 够为反射面天线结构设计人员和电磁设计人员的有效交流提供工具。 。 第二章反射面天线电性能的概述 9 第二章反射面天线电性能的概述 2 1 引言 天线系统是以信号的获取、传输与处理等电磁性能为目标，以机械构件作为 电磁信号的载体。反射面天线，简称匿天线，因具有高增益、低噪音辐射、高可 靠性以及增强的数据传输能力等特点，在雷达通讯、遥距探测、射电天文等领域 得到了广泛应用，可以说是种类繁多的天线中的最常用的一种。随着天线技术的 快速发展，电磁与机械因素的相互影响、相互制约关系越来越密不可分，例如， 天线反射面是电磁场的边界条件，在自重、风、雪等载荷作用下，反射面变形将 影响天线增益、方向图等电性能指标，随着工作频段的升高，这种影响关系更为 突出。 为了研究反射面天线的机电耦合的特性，对反射面天线进行机电综合分析， 为设计阶段的大型反射面天线电性能进行准确预估分析，有必要对反射面天线的 几何特征、电性能参数以及其辐射特性的分析方法进行了解。 2 2 反射面天线的几何关系 旋转抛物面天线、柱状抛物面天线、切割抛物面天线、卡塞格伦天线统称为 聚焦反射面天线。聚焦反射面天线由于设计较易、结构简单、性能优越，因此， 一直是人们普遍感兴趣的天线系统。聚焦反射面天线的最基本的型式是抛物形反 射面天线，该天线的反射面是有一段抛物线绕其对称轴o f 旋转而形成的一个曲 面，所以，这种天线又称为旋转抛物面天线，如图2 1 ( a ) 所示。利用旋转抛物面 天线可以获得针状波束。在实际应用中，除较多地采用旋转抛物面天线外，有时 为了得到一些特殊的天线波瓣图，还可采用柱状抛物面天线，或是对上述两种反 射面加以切割，或令其变形而形成的天线。柱状抛物面天线也称抛物柱面天线， 它的反射面是由抛物线沿着它所在平面的法线方向上平移而形成的一个曲面，同 时，抛物线的焦点的轨迹形成了一条直线f f ，称为焦线，如图2 1 m 1 所示，利 用这种天线可以获得扇形波束。图2 1 ( c ) 所示天线的反射面是从旋转抛物面天线 的反射面中切割出一部分而形成的，这种天线称为切割抛物面天线，利用这种天 线同样可以获得扇形波束。此外，也可以将旋转抛物反射面加以修改使反射后的 辐射能量按给定的要求产生发散，如产生余割平方波束，这种天线称为余割平方 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 天线。在上述的这些聚焦反射面天线系统中，因其只有一个反射面，所以，习惯 上称为单反射面天线若应用由两个反射面而形成的天线系统，习惯上称为双反 射面天线，如卡塞格伦天线就是其中最常用的一种。 矽固 ( a ) ( b )( c ) 图2 1 各种抛物面天线 抛物面形单反射面天线主要由两部分组成：( 1 ) 放在焦点f ( 或焦线f f ) 处的 辐射器( 也称馈源) ，它产生方向性较差的辐射；( 2 ) 具有抛物面形状的金属反射镜 面，它把辐射器产生的方向性较差的辐射经它反射后，改变为方向性较好的辐射。 反射镜面一般是由导电性良好的金属制成的，它可以把投射到它上面的电磁能量 几乎全部地反射出去【6 4 1 。 反射面天线的几何关系和特性是由抛物线的几何关系和特性决定的。由解析 几何知，抛物线是一动点m 到一直线( 准线肋7 ) 和到一定点( 焦点，) 等距离时动 点的轨迹，如图2 2 所示。则： 图2 - 2 抛物线的几何关系 b m = f mg m = f m 图示抛物线的直角坐标方程为： 矿= 4 危 在以焦点f 为原点的极坐标中，抛物线的方程为： p = 丽2 f 啪c c 2 ( 詈) ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 第二章反射面天线电性能的概述 式中，厂为抛物线的焦距；p 为焦点到抛物线任一点的距离；y 为极角。 抛物线有两个基本特性： ( 1 ) 由焦点向抛物线引出的并与抛物线轴线夹任意角度y 的射线，均与抛物线上 该点的法线方向矗成y 2 角度。由入射角等于反射角的反射定律知， _ f a i n ：_ _ n m a ：兰 2 则m a 反射线必平行于轴线。这一特性称为抛物线的聚束特性，即置于抛物线焦 点的光源，向抛物线照射发散的光线时，经抛物线反射后被聚柬成平行射线。 ( 2 )由抛物线的定义知，b m = 脚；b m = f m ；f m + 刎= b m + 刎； f m + 肘么7 = b 懈+ 肘乜t 与b b 为两平行线，因此， f m + 捌= f m 7 + m = 2 f = 常数 可见，由焦点处发出的任一射线，经抛物线反射后，在垂直于抛物线轴线的任一 直线上各点有相等的路程。 由上两特性综合知，从焦点发出的射线，经抛物线反射后被聚束成平行的射 线，且抛物线的口径上有相等的相位。因此如果口径尺寸足够大，就能得到强方 向性。 对于抛物面天线的几何关系，在直角坐标系中，旋转抛物面的方程为： + y 2 = 4 f z( 2 - 3 ) 其纵剖面图如图2 - 3 所示。 一 图2 - 3 抛物面的几何关系 由图2 - 3 所知，其极坐标方程为： p = 丽2 f 咖c c 2 ( 訇 ( 2 4 ) 其球坐标方程为： 1 2 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 f 工2 + y 2 = r 2 r = p s m 缈 【z = f - p c o s 矿 蝴。南 l + 二f 三i 毗2 丽2 f 1 一二l 三l t a n 监：旦 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中，旋转抛物面天线对焦点的口径半张角；d 旋转抛物面天线的口径尺寸。 由于选取的，和d 不同，可能出现如图2 - 4 所示的三种情况，即焦点在口径 面内、面上和面外三种情况当 三时，焦点在口径面内，为短焦距抛物面； = 詈时，焦点在口径面上，为中焦距抛物面； 厅( 短焦距)2 = 石2 1 庀( 长焦距) 图2 - 4 抛物面天线的三种情况 在短焦距情况时，馈源的副瓣会照射反射面，致使口径上场的分布不符合电 特性要求，方向性会变坏，所以一般均不采用短焦距而采用长焦距的抛物面结构。 通常在4 0 。8 0 。较宜，对应的厂d 在0 3 - - - 0 7 之间6 5 1 。 第二章反射面天线电性能的概述 2 3 反射面天线的电参数 反射面天线的性能要由许多电参数来描述，最重要的电参数包括效率、增益、 方向系数、轴比、第一副瓣电平、半功率波瓣宽度等等。第一副瓣电平和半功率 波瓣宽度可以根据方向图计算。 2 3 1 效率 携带信息的电磁波，从馈源进入反射面系统，再辐射到空间中去，能量在这 个过程中会受到一定程度的损耗。反射面的效率用来衡量天线将高频电流或导波 能量转换为无线电波能量的有效程度，是天线的一个重要电参数。效率越高，表 示损耗越少，天线的性能也越好。反射面的效率包含多个效率因子，主要的有如 下五个：截获效率、透明效率、口径效率、交叉极化效率、主面公差效率。这五 个因子的乘积就是反射面的总效率的近似值。 截获效率叩1 ；是指自馈源辐射出的所有能量中，有多少被反射面所截获。如 果是双反射面，则为副面截获效率，如果是单反射面，则为主面截获效率。设馈 源方向图为f ( o ，妒) ，记反射面的立体张角为q ，则： 仇=( 2 - 7 ) 透明效率砚：是指反射面所截获并反射的所有能量中，有多少没有遇到遮挡， 到达口径面。在文献 6 6 】中，这类效率被区分为副面透明效率和支杆透明效率，一 般情况下，单反射面天线只存在喇叭的遮挡。设口径场分布函数为g ( p ，矿) ，记完 整的口径面为( 不一定是圆形，也可以是环形) ，其中被遮挡的面积为s ，则： 仍=卜筹 2 1 。氲丽l ( 2 - 8 ) 口径效率仍：是指不均匀分布的口径面积可以等效为多大的均匀分布的口径 面积。设口径面上的复振幅分布函数为h ( p ，9 ) ，记口径面外部轮廓所包围的面积 为s ，则： 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 绝= ( 2 9 ) 交叉极化效率仇：是指口径面所辐射的所有能量中，有多少是由主极化分量 辐射设口径面上主极化分量的复振幅分布函数为( p ，妒) ，则： i l h o ( , , ，妒) 1 2p d p d 口， 驴赢丽 p 埘 主面公差效率仇：是指因主面制造偏差引起的效率损失。对双反射面天线来 说，副面面积很小，并且易于精密加工，所以副面的制造公差很小，引起的效率 损失也很小，可以忽略不计。所以制造公差引起的效率损失主要是由主面产生的。 设主面制造公差为盯，可以按照经验公式来估算主面公差效率： 瑰：少疗 ( 2 - 1 1 ) 其他效率仇：除了以上五个主要的效率因子外，其余的所有效率因子都包括 在中，只能进行估算。在此，近似认为* l 。 总效率刁就近似为以上六个效率因子的乘积： 吁= 丌研 ( 2 一1 2 ) 工程设计天线时，一般取天线效率为5 0 9 扣6 0 ，最大值通常只能达至u 8 3 e e 6 7 。 2 3 2 方向系数 天线在某方向的方向系数d ( p ，妒) 表示辐射能量在空间中的密集程度。它的定 义为：在相同的辐射功率下，天线在空间某点产生的功率角密度与理想无方向性 点源天线在同一点产生的功率角密度的比值。 d 似力= 佗一1 3 ) 其中，p ( p ，妒) 表示某方向的功率角密度；2 表示同样多的能量均匀分布到全 方位时的功率角密度。设口径面上的电场复振幅为b ，工作波长为a ，最大辐射场 强出现在口径法向，且模值为，则有： 型 第二章反射面天线电性能的概述 瓦= 黜岛叫 功率角密度可以由场强方向函数来计算： p ( 口，9 ) = 杠峨，( 口，妒) 2 口径辐射总功率为： 足= f 阱出 于是，方向系数为： d ( 铷) = 等叩 ( 2 1 4 ) f 2 - 1 5 ) f 2 - 1 6 ) 厂2 ( 口，9 ) = q r 2 ( 日，妒) ( 2 - 1 7 ) 如果口径场是等幅分布，那么b = 1 ，则有： 一一 d = 等筘 ( 2 1 8 ) 在反射面天线理论中，一般所说的方向系数，就是指均匀口径的最大方向系 数。设口径为半径兄的圆形，则方向系数的分贝值为删： d 。：2 0 培孕( 2 - 1 9 ) 2 3 3 其它电基本参数 1 辐射方向图 天线辐射方向图( 简称方向图，p a t t e r n ) 是天线辐射参量随空间方向变化的图 形。取图2 5 所示坐标系，天线位于坐标原点，在距天线等距球面上，天线在各点 产生的辐射功率通量密度或场强( 电场或磁场) 与空间方向( p ，妒) 的关系曲线，称为 功率方向图或场强方向图。绘制方向图时常采用极坐标或直角坐标，极坐标方向 图直观性强，直角坐标方向图易于表示和比较各方向上场强电平的相对大小。本 文主要采用直角坐标形式的方向图。方向图包含有许多波瓣，其中包含最大辐射 方向的波瓣称为主瓣，其它依次称为第一副瓣( 旁瓣) ，第二副瓣等。 对而 u 监n ” 1 6 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 图2 - 5 天线的坐标系 2 半功率波瓣宽度 主瓣最大值两侧，功率通量密度下降到最大值的一半，或场强下降到最大值 的0 7 0 7 ，即下降3 d b 的两个方向之间的夹角称为半功率波瓣宽度( h a l f - p o w e r b e a m w i d t h ，h p b w ) ，记为2 0 0 5 f 丰1 1 2 0 0 m 。主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示 天线辐射越集中。 3 副瓣电平 副瓣电平( s i d e l o b el e v e l ，s l l ) 一般是指主瓣旁边第一个副瓣最大值( 通常是最 大的副瓣最大值) 小于主瓣最大值的分贝数。其表达式为： 纠。培掣捌g ( d b ) ( 2 - 2 0 ) 式中，s ( 只，魏) 和e ( q ，仍) 分别为最大副瓣最大值的功率通量密度和电场强度。 4 增益 天线方向系数表征天线辐射电磁能量的集束程度，天线效率表征天线能量转 换效能。将这两者结合起来，用一个数字表征天线辐射能量集束程度和能量转换 效率的总效益，称为天线增益( g a i n ) 。天线增益o ( o ，伊) 为相同输入功率下，天线 在空间某一位置产生的电场强度的平方，与理想无方向性点源天线在同一点产生 的场强平方的比值。通常所说的天线增益都是指天线在最大辐射方向的增益，工 程设计时经常对反射面天线的增益进行简单估算【6 9 1 ，其近似计算公式以分贝表示 的增益为： g 。：2 0 1 9 2 - 矾7 - - + 1 0 1 9 ，7 2 - 2 1 ) 其中，玎依赖于天线口径的电场分布、阻耗等，一般取0 5 5 ( 0 5 o 6 ) 7 0 】。 剑i熊 p 一 第二章反射面天线电性能的概述 1 7 2 4 反射面天线辐射特性分析理论 分析反射面天线的辐射特性，或设计这类天线反射面的几何轮廓和尺寸，最 早提出并且现在还常采用的两种近似方法是：口径面场分布法和镜面电流法。 口径面场分布法，它是先根据给定馈源的波瓣图，利用几何光学原理确定天 线反射面口径面上的场分布，然后再利用能量守恒定律和等效原理求出抛物面口 径的辐射特性。有时也称此法为几何光学法。 镜面电流法( 或称感应电流法) ，它是根据馈源投射到天线反射面上的电磁场， 运用物理光学法近似地计算出反射面上的感应电流，然后再利用标准的辐射公式 计算得到天线的辐射特性。有时也称此法为物理光学法。 以上两种方法，都是在假定平面波投射到无限大理想导体平面的条件下来考 虑问题的，但实际上馈源的辐射场是球面波而不是平面波。因此无论是应用口径 面场分布法，或应用镜面电流法计算出的辐射特性，都不是十分精确的，而只是 近似的。在一些要求不严的应用中，如，估算天线的主瓣宽度，靠近主瓣的旁瓣 电平，或确定馈源有适宜的波瓣宽度以使天线获得最大增益等，应用以上两种方 法还是合理的。因此，这两种方法仍是很有用的嗍。 一 但近些年来，在先进的电子设备中，如雷达、通信系统等，对天线性能提出 了更为严格的要求，上述两种方法已不能满足于对天线精确地进行最优化设计的 要求，以及应用数值计算方法的要求，因而又出现了几何绕射理论p 3 1 、球面波展一 开法【7 1 1 等方法。 几何绕射理论，即g t d ，它把几何光学法推广应用到含有附加的绕射线。这 个方法特别适用于处理含有多条反射路径和具有尖锐边缘物体的绕射问题。这种 方法避免了感应面电流法中的数值积分，因此，对于简单型式的反射面，如旋转 抛物面或双曲线锥面，可以节省更多的计算时间和存储量。 球面波展开法，它从应用物理光学原理计算出反射面上的感应电流开始，然 后，不再是利用标准的辐射积分公式来计算辐射场，而是用与这些感应电流相应 的源进行球面波展开，其结果将得到一个较严格的矢量电磁场表示式，使他更适 宜于在计算机上进行有效的计算。 下面将重点介绍几何光学和物理光学原理，以及应用物理光学法对旋转抛物 面天线辐射特性分析。 2 4 i 几何光学原理 几何光学法是一种计算电磁辐射的方便快速的近似方法，它以电磁波传播的 l s 基于异构系统集成的反射面天线机电综合分析 射线理论为基础，处理直射线、反射线和射线折射的问题。当电磁波的波长很短， 媒质在空间的变化又在比波长大得多的尺度上才显示出来时，可以假定，在局部 区域中电磁波场的性质就和它在均匀媒质中的性质一致。这样就可以在局部上把 电磁波的波阵