结构误差对天线阵面电性能的影响

张小红

（海军装备部，西安 710068）

0 引言

由于相控阵天线阵面电性能指标与机械性能指标之间的关系理论研究尚不完善，无法选出比较合适的结构方案既满足机械性能要求又满足天线阵面电性能要求。因此研究与分析机械性能对天线阵面电性能的影响关系已经成为迫切需要解决的关键问题。比如，阵列天线的结构偏差场和电磁场之间的场耦合关系甚为复杂，结构偏差影响增益、副瓣电平和波束指向等电性能指标。这里把机械结构与电性能之间相互影响和制约的关系称之为机电耦合关系，两者之间的问题称之为机电耦合问题。从机械结构偏差场和电磁场出发，建立结构偏差场与电磁场的机电耦合模型，分析随机误差、系统误差这两类结构误差对相控阵雷达天线阵面电性能产生的影响[1]。

天线阵面的电性能指标影响着相控阵雷达整机指标，为了精确分析天线阵面的电性能，提高天线阵面整体设计水平，最好的方法就是在电磁场分析过程中同时考虑结构参数的变化，得出结构误差与天线电性能参数之间的关系。影响天线阵面电性能的误差可以分为随机误差和系统误差，随机误差是指一种不能事先预测的，快速变化的误差，如单元失效率，激励幅相误差，阵面加工误差，辐射阵元、天线框架和子阵的安装误差等；而系统误差是可以事先预计并能严格控制的，这类误差是缓慢变化的，或者呈现一定的周期性规律，如单元之间的互耦阻抗，测量误差，天线力学变形引起的误差。天线力学变形引起的误差又称为结构变形误差，结构变形包括重力变形、风载荷变形、温度变形和振动引起的变形等。按误差来源分又可以分为馈电误差和结构误差。

结构误差包括阵面加工误差，辐射阵元、天线框架和子阵的安装误差以及由天线力学变形引起的结构变形误差。

1 机电两场耦合模型

本文基于场耦合的概念，建立了有源相控阵雷达天线阵面的机电两场耦合模型，研究分析炮振载荷下的结构变形误差，阵面加工误差，辐射阵元、天线框架和子阵等的安装误差对天线阵面电性能的影响[2-3]。

1.1 结构误差分类

结构变形误差，阵面加工误差，辐射阵元、天线框架和子阵的安装误差导致的结构误差可以再细分为三类直接影响天线阵面电性能的影响因素。

（1）结构误差导致的阵元相对天线阵面的垂直度误差，即阵元指向误差对天线阵面电性能的影响。阵元指向误差导致阵元在阵面垂向的增益不同。

（2）结构误差导致的阵元相对天线阵面的水平度误差，即阵元在阵面垂向的起伏对天线阵面电性能的影响。阵元在阵面垂向的起伏导致阵元初始相位角不同。

（3）结构误差导致的阵元在天线阵面上的位置度误差，即阵元在阵面上的实际位置相对于布阵位置的偏差对天线阵面电性能的影响。

将结构误差加入机电两场耦合模型，得出结构误差对天线增益、栅瓣电平、波束指向和波束宽度等天线阵面电性能指标的影响[4-6]。

1.2 阵元结构误差和耦合模型的实现

将雷达安装在振动台上，测试方向为X向、Y向和Z向，X向为水平射向，也就是天线阵面法线指向，Y向是横向，Z向为垂直方向。振动载荷下的结构变形误差通过仿真分析求得，简化归纳为四种工况数据，工况1为第一阶固有频率下天线阵面和天线座固有模态的变形情况，是极其恶劣需要规避的；工况2为Z向振动作用下天线阵面的位移响应，工况3为Y向振动作用下天线阵面的位移响应，工况4为X向振动作用下天线阵面的位移响应。阵面加工误差，辐射阵元、天线框架和子阵等的安装误差通过结构设计、尺寸链计算和工艺条件保障可以控制在一定精度范围内。阵元结构误差具体数据如表1所示。

表1 阵元结构误差

通过将垂直度误差数据融入阵元指向，将结构水平度误差数据和位置度误差数据融入阵元布置坐标，从而实现机电两场在天线阵面上的耦合。

2 天线阵面电性能影响分析

2.1 阵元方向图及阵元指向的影响

17GHz时圆口喇叭阵元方向图如图1所示。

图1 阵元方向图

阵元指向误差导致的阵元在阵面垂向的增益损失如表2所示。

表2 阵元指向误差导致的增益损失

2.2 阵元布置模型及法向指向阵面因子方向图

天线阵面为环栅阵，阵元布置如图2所示。

图2 天线阵面阵元布置图

环栅阵法向指向时不带阵元因子方向图的阵面因子三维方向图如图3所示。在方位上和俯仰上的阵面因子方向图分别如图4和图5所示。

图3 阵面因子三维方向图

图4 方位上阵面因子方向图

图5 俯仰上阵面因子方向图

2.3 法向指向带阵元因子方向图的阵面方向图

环栅阵法向指向时带阵元因子方向图的阵面三维方向图如图6所示。在方位上和俯仰上的阵面方向图分别如图7和图8所示。

图6 阵面三维方向图

图7 方位上阵面方向图

图8 俯仰上阵面方向图

3 阵元结构误差对天线电性能的影响

将阵元结构误差带入天线电性能的计算中，得到不同的阵元结构误差对天线电性能的影响结果，具体见表3。

可以看出结构变形误差工况1对天线电性能的波束指向偏差影响最为显著，使得波束在法向上的指向偏差为 0.071°，明显的影响了整个雷达的跟踪精度，同时由于波束指向偏差导致了波束宽度变宽。

在图1所示的天线和天线座结构三维模型下，Z向、Y向和X向振动谱分别作用下的天线位移响应（结构变形误差工况2、工况3和工况4）对天线电性能的影响不显著，但通过对三者之间的对比可以看出天线位置平移对天线电性能基本不影响，绕X轴的旋转对天线波束指向的影响具有线性关系，这两点通过天线理论也可以得出。

表3 阵元结构误差对天线电性能的影响结果

阵面加工误差和累积安装误差是不可避免的随机误差，对天线电性能的影响也是随机分布的，采样了三种随机计算结果，总的来说对波束宽度和指向影响不明显，对增益和栅瓣的影响也比较小。

结构变形误差工况 1、阵面加工误差和累积安装误差综合对天线电性能的影响在仿真计算结果中是最大的，对天线增益、栅瓣电平、波束指向和波束宽度的影响是显著地，应避免此种情况的发生。实际中此种情况是不会出现的，因为天线在第一阶固有模态下的变形误差（极其恶劣，应规避）是不会发生的，只是一个计算的表征量。