一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法。

背景技术：

相控阵制导微系统是利用先进相控阵技术，通过波控计算机控制电移相器的相移量实现雷达波束的扫描的一种新型雷达制导系统。在整个相控阵制导微系统工作过程中，由于其自身结构特点和运行环境，热场、力场、电磁场同时存在，且各场并不是独立对“电路”产生影响的，它是一个叠加的效果，多物理场协同作用使得波束指向误差加剧，这也将严重影响制导系统的性能。

传统的相控阵制导微系统由于存在功能结构复杂、技术性能先进、信息密集、高度集成、协同复杂等诸多特征，在优化分析中一般考虑单一的热仿真或力学仿真对电磁场的影响，利用电磁场对天线方向图的影响，对系统热学或力学参数进行优化。如公开号为cn108920831a的中国专利，公开了高速飞行器罩体高温烧蚀对天线电性能影响的快速计算方法，仅仅是对热场的影响进行了分析，该方法未考虑多载荷应力耦合的工程应用环境，也不能考虑热力之间的相互影响，导致分析结果不准确。此外，仅考虑天线方向图对系统的影响，未考虑捷联去耦技术，也会导致相控阵制导系统的指向误差模型不准确。通过上述分析可知，传统的多物理场耦合协同优化方法难以在满足相控阵制导微系统可靠性设计要求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法，通过对热场、力场、电磁场和电路结构四类物理量耦合，优化系统指向精度，来保证制导系统复杂应用环境中的探测性能和可靠性。

本发明通过以下技术方案得以实现：

一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法，包括以下步骤：

步骤一、分别建立相控阵制导微系统的结构有限元模型、热分析模型和力分析模型。

步骤二、根据热分析模型建立相应的结构温差载荷。

步骤三、利用步骤一中得到的三种模型，共同建立相控阵制导微系统的约束和边界条件，并根据应力条件和步骤二中的结构温差载荷，得到包括阵面辐射单元的位置偏移量在内的结构位移场。

步骤四、根据阵面辐射单元的位置偏移，确定辐射单元的位置变化在远区目标处导致的空间相位误差。

步骤五、根据步骤四中的空间相位误差，结合结构温差载荷获得tr芯片激励电流的幅度变化量和相位变化量，进而获得相控阵制导微系统天线单元的和差方向图。

步骤六、利用步骤五中和差方向图的变化，结合阵面辐射函数以及幅相分布、天线阵面辐射单元的排列形式，计算相控阵天线的电性能参数。

步骤七、根据步骤六中的电性能参数的变化，得到相控阵制导系统的指向精度。

步骤八、判断相控阵制导系统的指向精度是否满足要求，如果满足要求则系统协同优化完成，否则，修改结构有限元模型、热分析模型和力分析模型的设计参数，并重复步骤一至八，直到满足要求。

所述结构有限元模型的设计参数包括元器件类型及其位置、尺寸、管脚和功耗，电路板的层数、厚度、镀孔信息。

所述力分析模型的设计参数至少包括机械振动。

所述热分析模型的设计参数包括环境温度。

所述步骤一中，根据相控阵制导微系统的结构参数，确定相控阵制导微系统的有限元模型，得到阵面每一个辐射单元的理论坐标。

所述步骤二中，根据热分析模型建立相应的结构温差载荷包括以下步骤：

步骤二一、建立相控阵制导微系统的热分析模型，确定散热设计参数，并对该模型施加系统工作要求参数，得到相控阵制导微系统、相控阵天线和相控阵芯片的温度分布和温升曲线。

步骤二二、根据相控阵收发芯片的温度分布，以及实测得到的相控阵收发芯片的温度电流曲线图，得到相控阵收发芯片激励电流的幅度变化量和相位变化量。

步骤二三、设定相控阵制导微系统的参考温度，并将相控阵制导微系统、相控阵天线辐射单元和相控阵芯片的温度分布与该参考温度比较，确定相应的结构温差载荷。

所述步骤六中的电性能参数包括副瓣电平、波束指向和增益。

所述步骤七中和差方向图变化通过系统的和差测角方法和捷联去耦技术计算得到相控阵制导系统的指向精度。

所述相控阵为有源相控阵。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比，通过对热场、力场、电磁场和电路结构四类物理量耦合，利用系统工作过程中的温升曲线、温度梯度和振动谱线，深入研究热场、力场、电磁场耦合关系，结合测角原理和捷联去耦方法建立热应力影响下的系统指向误差模型，并通过热场、力场、电路结构参数优化，优化系统指向精度，来保证相控阵末制导微系统在复杂应用环境中的探测性能和可靠性，使其角度测量精度满足系统性能要求，并提供了一种多物理场耦合条件下相控阵制导微系统协同优化方法，该方法相比现有技术影响因素考虑更加全面，与实际测量误差小，精度更高。

附图说明

图1是本发明中多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法的路线图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法，包括以下步骤：

步骤一、分别建立有源相控阵制导微系统的结构有限元模型、热分析模型和力分析模型，并根据相控阵制导微系统的结构参数，确定相控阵制导微系统的有限元模型，得到阵面每一个辐射单元的理论坐标。

所述结构有限元模型的设计参数包括元器件类型及其位置、尺寸、管脚和功耗，电路板的层数、厚度、镀孔信息；所述力分析模型的设计参数至少包括机械振动；所述热分析模型的设计参数包括环境温度。

步骤二、根据热分析模型建立相应的结构温差载荷，具体包括以下步骤：

步骤二一、建立相控阵制导微系统的热分析模型，确定散热设计参数，并对该模型施加系统工作要求参数，得到相控阵制导微系统、相控阵天线和相控阵芯片的温度分布和温升曲线。

步骤二二、根据相控阵收发芯片的温度分布，以及实测得到的相控阵收发芯片的温度电流曲线图，得到相控阵收发芯片激励电流的幅度变化量和相位变化量。

步骤二三、设定相控阵制导微系统的参考温度，并将相控阵制导微系统、相控阵天线辐射单元和相控阵芯片的温度分布与该参考温度比较，确定相应的结构温差载荷。

步骤三、利用步骤一中得到的三种模型，共同建立相控阵制导微系统的约束和边界条件，并根据应力条件和步骤二中的结构温差载荷，得到包括阵面辐射单元的位置偏移量在内的结构位移场。

步骤四、根据阵面辐射单元的位置偏移，确定辐射单元的位置变化在远区目标处导致的空间相位误差。

步骤五、根据步骤四中的空间相位误差，结合结构温差载荷获得tr芯片激励电流的幅度变化量和相位变化量，进而获得相控阵制导微系统天线单元的和差方向图。

步骤六、利用步骤五中和差方向图的变化，结合阵面辐射函数以及幅相分布、天线阵面辐射单元的排列形式，计算相控阵天线的副瓣电平、波束指向和增益等电性能参数。

步骤七、根据步骤六中的电性能参数的变化，通过系统的和差测角方法和捷联去耦技术计算得到相控阵制导系统的指向精度。

步骤八、判断相控阵制导系统的指向精度是否满足要求，如果满足要求则系统协同优化完成，否则，修改结构有限元模型、热分析模型和力分析模型的设计参数，并重复步骤一至八，直到满足要求。

本发明提供的一种多物理场耦合的相控阵制导微系统协同优化方法，通过对热场、力场、电磁场和电路结构四类物理量耦合，利用系统工作过程中的温升曲线、温度梯度和振动谱线，深入研究热场、力场、电磁场耦合关系，结合测角原理和捷联去耦方法建立热应力影响下的系统指向误差模型，并通过热场、力场、电路结构参数优化，优化系统指向精度，来保证相控阵末制导微系统在复杂应用环境中的探测性能和可靠性，使其角度测量精度满足系统性能要求，并提供了一种多物理场耦合条件下相控阵制导微系统协同优化方法，该方法相比现有技术影响因素考虑更加全面，与实际测量误差小，精度更高。