高性能有源相控阵天线机电热多场耦合建模、分析与补偿

High performance active phased array antenna (APAA) with high gain, low sidelobe and high pointing accuracy determines the radar performances including long range detection, target resolution and anti-jamming and stealth ability to a great extent. And these properties are very sensitive to the antenna array temperature distribution and structural precision. The unknown coupling relationship and the unclear impact mechanism among three fields had restricted the development of high performance active phased array radars as one of the bottlenecks. Therefore, the effects of APAA array temperature on the performance of T/R module, and structural distortion on the amplitude and phase distribution of APAA aperture would be study. And the structural-electromagnetic-thermal coupling relation of APAA would be developed to determine the effect mechanism among the electromagnetic field, temperature field, and structural displacement field. Then, the breakthrough of real time compensation problem of the electrical performance could be made while APAA is working in the complex environment. Finally, the requirement of high electrical performance and lightweight structure of APAA would be satisfied. Based on this project, the antenna designers can thoroughly and quantificationally grasp the influence relationship among array temperature distribution, structural distortion and electrical performance, and with the prerequisite to meet the electrical performance, make the optimal thermal design and structural design scheme, and provide the real time efficient compensation for the electrical performance of operating antenna. It is an important role to enhance the radar target detecting and anti-interference ability effectively, and significantly reduce the structure weight of integrated electronic information system.

高性能有源相控阵天线的高增益、低副瓣与高指向精度在很大程度上决定了雷达的远距离探测、目标分辨以及抗干扰与隐身等能力，而这些电性能对天线阵面热分布与结构精度非常敏感，它们之间耦合关系不明、影响机理不清，这成为制约高性能有源相控阵雷达研制的瓶颈之一。为此，研究阵面温度对T/R组件性能变化的影响，以及结构变形对天线口面幅相分布的影响，发现有源相控阵天线机电热多场耦合因素，解决无法确定机械结构精度与温度变化对电性能的定量影响机理问题，突破有源相控阵天线工作环境中电性能实时补偿难题，实现同时满足天线高电性能与结构轻量化的目标。通过本项目的深入研究，设计人员能够系统、定量地掌握阵面温度分布、结构变形与天线电性能之间的影响关系，在保证满足电性能指标的前提下，制定最佳的散热设计和结构设计方案，并对工作中的天线电性能进行实时高效补偿。这对有效增强雷达探测与隐身能力，减轻综合电子系统结构重量意义重大。

高性能有源相控阵天线的高增益、低副瓣与高指向精度很大程度上决定了雷达的远距离探测、目标分辨以及抗干扰与隐身等能力，然而，复杂环境载荷下结构变形与阵面高温会严重恶化天线电性能，它们之间耦合关系不明、影响机理不清，是制约高性能有源相控阵雷达研制的瓶颈问题。.以厘清机械结构精度与温度变化对天线电性能的定量影响机理，实现天线在工作环境中电性能实时补偿为研究目标，本项目按照研究计划开展了有源相控阵天线馈电系统发射接收组件性能温变分析、机电热多场耦合建模以及天线电性能补偿方法研究等工作，搭建了天线机电热耦合性能快速分析软件，在天线实物平台上完成了多种变形工况下电性能测试与补偿方法验证。首先，提出了热环境影响与材料属性变化下移相器性能预测方法，确定了一种典型的发射接收组件温变性能分析方法，研究了基于器件位置的发射接收组件散热设计方法，有效降低了天线阵面温度，提高了电子器件效率和可靠性。其次，建立了有源相控阵天线机电热多场耦合模型，解决了APAA 结构、温度以及电磁之间耦合机理不清的难题；基于耦合模型提出了天线结构公差确定方法，降低了天线结构设计和加工难度；研究了天线热功耗确定方法，为天线高效散热设计提供了理论指导；针对低副瓣要求，提出了基于阵元互耦的天线副瓣性能预测方法，实现了通过结构设计有效确保天线副瓣性能；同时探讨了变形有源相控阵雷达探测性能的快速评估方法。以机电热耦合模型为基础，在电性能实时补偿与机械结构设计补偿、高效散热设计补偿方面建立了桥梁，提出了基于机电热耦合与傅里叶变换的电性能补偿方法、面向增益和指向的热变形补偿方法、微通道冷板设计方法及结构轻量化优化方法等，提高了天线综合性能的稳健性。以上工作解决了APAA 结构、温度以及电磁之间的综合设计问题，提高了天线阵面散热效能、降低了结构设计和加工难度，实现了天线电性能有效补偿，为高性能有源相控阵天线的研制提供了理论指导和技术支撑。