1.一种高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)确定弹载有源相控阵天线的结构参数和材料属性;
(2)根据飞行要求确定弹载有源相控阵天线随时间变化的飞行高度、飞行速度和攻角;
(3)根据步骤(2)中的飞行速度,采用等熵温度方程计算弹载有源相控阵天线的天线罩驻点温度;
(4)考虑真实气体效应,根据步骤(3)得到的天线罩驻点温度,确定高超声速飞行过程中天线罩周围空气的组成成分;
(5)根据步骤(4)得到的空气组成成分,采用瞬态热分析仿真弹载有源相控阵天线的高温烧蚀过程;
(6)提取飞行过程中某时刻天线罩的温度场分布和烧蚀形貌,根据天线罩材料属性随温度的变化规律,计算天线罩相对介电常数和损耗角正切的变化量,根据天线罩内外表面网格的对应关系,计算天线罩的厚度烧蚀量;
(7)计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数;
(8)提取弹载有源相控阵天线阵面馈电系统的温度场分布,确定移相器和衰减器的温度数值,基于移相器和衰减器的温漂性能,计算对应的弹载有源相控阵天线阵元激励电流幅度和相位误差;
(9)根据步骤(8)中馈电系统的温度场分布,确定弹载有源相控阵天线阵面电源的温度数值,计算电源纹波变化导致的弹载有源相控阵天线阵元激励电流幅度和相位误差,将其与步骤(8)阵元激励电流幅度和相位误差进行叠加,得到阵面高温影响下天线阵元激励电流的幅度和相位误差;
(10)根据步骤(7)得到的高温烧蚀后天线罩透射系数和步骤(9)得到的阵元激励电流幅度和相位误差,基于几何光学射线跟踪法,计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能;
(11)对比弹载有源相控阵天线的理想电性能,确定高温烧蚀导致的各天线阵元辐射性能的变化;
(12)计算透过天线罩的天线阵元辐射性能的幅度变化率和相位变化量;
(13)计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位调整量,补偿高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能。
2.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(1)中,所述弹载有源相控阵天线的结构参数包括天线罩的初始厚度、天线阵元间距和馈电系统分布位置;所述材料属性包括材料的比热容c、导热系数λ、密度ρ和材料烧蚀临界温度TS。
3.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(3)根据步骤(2)中的飞行速度,采用等熵温度方程计算弹载有源相控阵天线的天线罩驻点温度2
Tt=Tst·[1+M·(gamma-1)/2] (1)其中,Tt是驻点温度,Tst是不同飞行高度对应的静态温度,M是飞行的速度马赫数,gamma是理想热值气体的比热比。
4.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(4)中,确定高超声速飞行过程中天线罩周围空气的组成成分:①当驻点温度低于2500K,空气成分主要为氮气N2和氧气O2;
②当驻点温度在2500K-4000K,氧气O2开始分离为两个氧原子2O,此时空气成分主要为氮气N2和两个氧原子2O;
③当驻点温度在4000K-9000K,氮气N2开始分离为两个氮原子2N,此时空气成分主要为两个氮原子2N和两个氧原子2O。
5.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(5)具体包括以下步骤:(5a)在FLUENT软件中对弹载有源相控阵天线进行气动热分析,根据步骤(4)得到的空气组成成分得到天线罩表面实时热流密度分布qw;
(5b)在ANSYS Multiphysics模块中建立弹载有源相控阵天线有限元模型,采用插值函数将FLUENT软件计算得到的热流密度加载到弹载有源相控阵天线有限元模型中,插值函数如下:式中,wij为qwj相对于qwi的加权系数,qwj为FLUENT软件中天线模型的第j个节点的热流密度,qwi为ANSYS Multiphysics模块中天线模型第i个节点的热流密度,dij为第i个节点和第j个节点之间的距离,ε为防止距离dij为零时的非零项微小数值;
(5c)在ANSYS Multiphysics模块中对弹载有源相控阵天线的天线罩和内部阵列天线进行瞬态热分析,同时采用“生死单元”方法模拟天线罩的动态烧蚀过程。
6.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于步骤(7)中,计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数,具体计算如下:(7a)在等效传输线模型中,天线罩材料介质中的等效传播常数 变化为:式中,ε为相对介电常数,tanδ为损耗角正切,Δε和Δtanδ分别为温度导致的罩体材料相对介电常数和损耗角正切的变化量,λ为电磁波波长,αi为电磁波的入射角;
当天线罩的厚度改变,等效传输线的电尺寸 变化为:
式中,d和Δd分别为等效介质平板的厚度和厚度变化量;
针对水平极化波和垂直极化波,其等效阻抗分别改变为:
式中,j为虚数单位;
(7b)当天线罩的材料参数和厚度同时改变,根据式(5)改变后的等效传输线电尺寸和式(6)改变后的等效阻抗,可得到等效传输线模型中转移矩阵为(7c)根据式(7)的转移矩阵,可计算出入射电磁波的透射系数,水平极化场EH和垂直极化场EV对应的透射系数 和 可表示为:式中, 为空气介质下的等效阻抗,T′H和T′分别为水平极化场和垂直极化场透射系数的幅值, 和 分别为对应的相位;
(7d)基于式(8)水平极化场和垂直极化场的透射系数,根据等效传输线理论可得入射电磁波主极化场En的透射系数式中,φM为电磁波的极化角,φM=arcsin(nM0·En),nM0为入射平面的单位垂线方向,En为电磁波的单位极化入射场, 为入射平面的夹角,其中,β为与电磁波极化角的互余角,δi为水平极化场与垂直极化场的插入相位移之差,δ=η'H-η'V, 是水平极化场的插入相位移, 是垂直极化场的插入相位移。
7.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于步骤(8)中,激励电流的幅度误差表示为:ΔAnt(T)=ΔA'nt(T)·Anmax
式中,T为阵面温度,ΔA′nt(T)为归一化激励幅度误差,Anmax为激励电流幅度的最大值;
阵元激励电流的相位误差 为:
8.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(9)中,由于阵面电源纹波对激励电流调制导致的幅度误差 为:ΔAnp(T)=Anγ(L(T),C(T)) (11)式中,An为初始激励电流幅度,γ(L(T),C(T))是包含电路中电感、电容温漂特性的阵面电源纹波;
阵面高热功耗影响下,阵面电源纹波导致的激励电流相位 变为式中,Kφ为T/R组件中微波放大器件的调相灵敏度;
将其与移相器和衰减器温漂性能导致的阵元激励电流幅度和相位误差进行叠加,得到阵面高温影响下天线阵元激励电流的幅度An_new和相位 如下式中,An和 分别为阵元的初始激励电流幅度和相位,ΔAnt(T)和 分别为移相器和衰减器温漂性能导致的激励电流幅度和相位误差。
9.根据权利要求8所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于步骤(10)中,高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能如下:式中,fn(θ,φ)为第n个天线阵元的方向图,n≤N;k=2π/λ为传播常数,rn=xni+ynl+znk表示第n个天线阵元的位置矢量,其中,xn、yn、zn分别为天线阵元在对应的x、y、z三个坐标轴方向上的位置坐标,i、l、k分别为三个坐标轴方向上的单位矢量,r0为远区观察点方向的单位矢量,j为虚数单位;
步骤(11)中,对比理想的电性能,将式(15)改写为:
式中, 为理想天线罩的透射系数, 和 分别为
天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数幅度变化率与相位变化量。
10.根据权利要求1所述的高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法,其特征在于,步骤(12)中计算透过天线罩的天线阵元辐射性能的幅度变化率ΔAna和相位变化量其分别为:式中, 为天线罩透射系数变化导致的幅度变化率, 为天线罩透射系数变化导致的相位变化量;
步骤(13)中,所述计算对应的各天线阵元激励电流幅度ΔAnc和相位调整量