共形阵天线设计方法、计算机设备及存储介质与流程

1.本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种共形阵天线设计方法、计算机设备及存储介质。


背景技术：

2.21世纪是通信技术高速发展的时代，无论是在军用装备领域还是在民用卫星通信领域，对阵列天线的设计和性能要求都愈发严格。就传统的线阵和面阵而言，由于波束覆盖范围受限，若要实现大空域的波束覆盖，需要在多个载体平台安装阵列天线，并使其同时工作，这不仅增加了载体平台的空间成本，加大了通信系统的设计成本和加工控制的难度，针对机载、弹载、舰载和卫星等（可布置区域多为曲面形式的载体）平台，也容易影响载体空气动力学性能。
3.此外，目前世界各国都极其重视隐身武器的研究和应用，随着频率选择表面结构和吸波材料等隐身新技术的发展及应用，飞行器等目标自身的雷达散射截面（rcs）已经非常小，其rcs的主要贡献来源于飞行器等武器平台上的天线系统。例如：隐身飞行器平台大多为扁平结构（如b-2轰炸机），天线通常被安装在飞行器腹部（如高度表天线）或背部（如卫星通信天线），采用埋入腔体或共形安装。当飞行器进行突防作战时，通常飞行器平台与敌方雷达之间的水平距离远大于两者的高度差，使雷达波以大入射角（基本达到略入射）对天线进行照射。这种情况下，通过平台外形设计，原本能使飞行器达到良好的隐身特性，然而安装的天线破坏了平台表面的平整度和连续性，对雷达波激励起的表面电流产生截断造成较强的后向散射，使飞行器的隐身性能恶化。
4.由此，可应用于曲面载体的微带共形阵天线应运而生。微带共形阵天线通常可实现宽角扫描，具有小型化、低剖面和低rcs等特点。目前，微带共形阵天线主要有两种加工方式，第一种是利用传统的印制板制造工艺（专利公开号为cn106099337a），该工艺只能制造平面微带电路板，再通过预成型等工艺实现印制板的曲面化，最后再采用焊接、胶接等工艺技术将印制板装配到金属结构件上，以形成曲面共形的微带天线阵面。该工艺目前主要面临平面电路板曲面化后天线图形精度损失导致电性能恶化的问题。第二种是利用3d打印新工艺（专利公开号为cn109755760a），该工艺直接在结构件上进行微带天线的曲面共形制备，利用3d打印微带共形阵天线虽然生产效率高，但是存在直写笔涂写介质材料不平整光滑，激光烧灼过孔粗糙，表面金属贴片图案粗糙等一系列精度偏差问题，在毫米波频段，当前技术水平难以实现工程化应用。综合来看，利用传统的印制板制造工艺来制备微带共形阵天线仍然是目前最可靠的方式。
5.在利用传统的印制板制造工艺制备共形阵天线时，需要将共形阵天线展成平面阵天线，由于共形阵天线和平面阵天线通道位置存在偏差，需要精确定位平面阵通道位置，再手动绘制各通道单元天线图案（由于通道错位，无法在autocad中直接使用array指令批量绘图），对于共形阵天线（尤其是大型毫米波共形阵天线，单元天线数目过百甚至过千），此过程较为繁琐且易出错。


技术实现要素：

6.针对传统设计方法的不足，本发明提出一种适用性广、高效可行的共形阵天线设计方法、计算机设备及存储介质，该方法充分利用三维电磁场仿真软件、制表软件和绘图工具软件的优势，相互协同，可避免人工操作的低效和易出错问题。
7.本发明采用的技术方案如下：一种共形阵天线设计方法，包括以下步骤：s1. 确定微带贴片天线形式，包括种类、频段、层数和极化方式；s2. 基于所述微带贴片天线以及预设的共形阵天线弯曲曲率半径大小，利用三维电磁场仿真软件对单元天线进行仿真和优化设计；s3. 将所述单元天线组成阵列天线，进行阵列天线仿真优化，确定所述天线单元最终尺寸；s4. 根据共形阵天线曲面到平面的映射关系，计算共形阵天线曲面上通道位置坐标展平后对应的平面通道位置坐标，并记录在制表软件内；s5. 利用所述制表软件编写所述阵列天线在绘图工具软件中的图案坐标，并编写对应的绘图命令符，再将所述命令符复制粘贴在所述绘图工具软件命令行内，从而自动完成所述阵列天线的图案绘制；s6. 利用所述绘图工具软件完善所述阵列天线并完成出图，再进行pcb加工；s7. 通过销钉定位将平面pcb形式的所述阵列天线弯折贴附并固定在曲面载板上，形成最终的共形阵天线。
8.进一步地，所述进行阵列天线仿真优化时，根据共形阵天线规模和所述三维电磁场仿真软件资源，针对共形阵天线弯曲曲率半径较小情况，进行局部或完整模型仿真；针对共形阵天线弯曲曲率半径较大情况，进行局部或完整模型仿真，或者等效为平面阵天线仿真。
9.进一步地，通过销钉定位将平面pcb形式的所述阵列天线弯折贴附在曲面载板上后，通过共形压块固定，最后将共形阵列天线胶接或焊接在曲面载板上。
10.进一步地，所述微带贴片天线形式的种类为一种或多种，频段为单频段或多频段，层数为单层或多层叠层，极化方式为线极化或圆极化。
11.进一步地，将所述单元天线组成阵列天线的布阵方式包括矩形满阵、三角形满阵或稀布阵，所述阵列天线的阵面形状包括柱面、锥面或球面。
12.进一步地，通过所述制表软件批量生成绘图命令符，从而在所述绘图工具软件内批量完成所述阵列天线的图案绘制。
13.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述共形阵天线设计方法的步骤。
14.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述共形阵天线设计方法的步骤。
15.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：（1）本发明针对现有印制板制造工艺制备共形阵天线过程较为繁琐且易出错的问题，提出了一套完整的微带共形阵天线设计方法，该方法可以保证设计、出图到装配共形阵天线的准确性。
16.（2）本发明通过三维电磁场仿真软件、制表软件和绘图工具软件等软件协同设计，共形阵天线坐标生成和绘图完全通过制表软件和绘图工具软件批量实现，编辑完成后简单易操作，自动化程度高，同时避免人工绘图操作易出错问题，可以保证图形位置准确性。
17.（3）本发明适用于各种微带共形阵天线设计，对单元天线的形式、种类、叠层数、极化方式和馈电方式等均无要求限制，对共形阵天线布阵和组阵方式无要求限制，对共形阵天线阵面形状无要求限制，对装配胶接和焊接方式无要求限制。除此之外，本发明方法亦可以扩展应用于平面阵列天线设计，适用性广。
18.（4）本发明直接使用绘图工具软件进行自动批量画图，特别适用于毫米波大型共形阵天线（通道数过百、过千甚至更多）设计，设计效率高。
附图说明
19.为了更清楚地理解本发明，现通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：图1是本发明的一种共形阵天线设计方法流程图。
20.图2是本发明的共形阵天线侧面示意图。
21.图3是本发明的共形阵天线全局和局部正面示意图。
22.图4是本发明的共形阵天线局部正面示意图。
23.图5是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线通道坐标示意图。
24.图6是本发明的单元天线a
11
局部坐标系示意图。
25.图7是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线的非对称u形缝隙全局x坐标示意图。
26.图8是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线的非对称u形缝隙全局y坐标示意图。
27.图9是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线的非对称u形缝隙autocad运算命令符示意图。
28.图10是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线所有单元天线通道中心坐标运算符。
29.图11是本发明的共形阵天线展平成平面阵列天线辐射圆贴片图案autocad运算命令符示意图。
30.图中：1为金属载板，2为微带天线，3为锥体母线，4为局部微带天线，41为介质板，42为圆极化天线，421为辐射圆贴片，422为非对称u形缝隙，423为金属馈电柱。
具体实施方式
31.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
本实施例提供了一种共形阵天线设计方法，如图1所示，包括以下步骤：s1. 确定微带贴片天线形式，包括种类、频段、层数和极化方式。具体地，根据共形阵天线设计要求，微带贴片天线可以是一种或多种，单频段或多频段，单层或多层叠层，线极化或圆极化；为了保证共形阵天线可加工性和可靠性，选用介质材料硬度不宜太高或太厚。
33.s2. 基于微带贴片天线以及预设的共形阵天线弯曲曲率半径大小，利用三维电磁场仿真软件对单元天线进行仿真和优化设计。优选地，三维电磁场仿真软件可以采用hfss或cst等仿真软件。
34.s3. 将单元天线组成阵列天线，进行阵列天线仿真优化，确定天线单元最终尺寸。具体地，阵列天线的布阵方式可以是矩形或三角形满阵，也可以是稀布阵；阵面形状可以是柱面、锥面、球面或其他曲面。进行阵列天线仿真优化时，根据仿真软件资源和共形阵天线规模，针对共形阵天线弯曲曲率半径较小情况，可以进行局部或完整模型仿真；针对共形阵天线弯曲曲率半径较大情况，可以进行局部或完整模型仿真，或者等效为平面阵天线仿真，确定最终天线单元尺寸。
35.s4. 根据共形阵天线曲面到平面的映射关系，计算共形阵天线曲面上通道位置坐标展平后对应的平面通道位置坐标，并记录在制表软件内。优选地，可利用matlab或excel表计算共形阵天线曲面上通道位置坐标展平后对应的平面通道位置坐标，制表软件可采用excel表。
36.s5. 利用制表软件编写阵列天线在绘图工具软件中的图案坐标，并编写对应的绘图命令符，再将命令符复制粘贴在绘图工具软件命令行内，从而自动完成阵列天线的图案绘制。由于阵列天线中单元天线种类较少（通常为一种或几种），同种单元天线相对于自身馈电位置分布完全相同，故可以利用制表软件高效、批量生成绘图命令，在绘图工具软件内批量完成天线图案绘制。优选地，绘图工具软件可采用autocad。
37.s6. 利用绘图工具软件完善阵列天线并完成出图，再进行pcb加工。优选地，根据后续生产工艺（胶接或焊接）要求，将阵列天线进行整板出图或切割成若干版出图，再进行pcb加工。
38.s7. 通过销钉定位将平面pcb形式的阵列天线弯折贴附在曲面载板上，通过共形压块固定，最后将阵列天线胶接或焊接在曲面载板上，从而形成最终的共形阵天线。
39.优选地，步骤s4可以在步骤s1~s3之前进行或者同时进行。
40.本实施例设计的共形阵天线可以参照图2、图3和图4。该共形阵天线主要包括：金属载板1和微带天线2。金属载板1的锥体母线3如图3所示。为了详细展示微带天线2和共形阵天线组阵细节，图3中给出了局部微带天线4。由于本发明提出的是共形阵天线设计方法，本实施例仅是为了说明该方法适用性广，准确性高，效率高，故对共形阵天线的载板和微带天线非关键细节未做过多说明。
41.本实施例中，选用图3中局部微带天线4的单元形式，介质材料选用taconic公司的tsm-ds3材料，厚度为20mil，微带天线2主要由介质板41和圆极化天线42构成，其中圆极化天线42细节包括：辐射圆贴片421、非对称u形缝隙422和金属馈电柱423。该微带天线2通过金属馈电柱423实现同轴馈电，且馈电点位于辐射圆贴片421的中心位置，当辐射圆贴片421被激励会在某频率产生谐振，再通过在辐射圆贴片421上开非对称u形缝隙422来扩展带宽，
同时形成几何结构微扰以形成右旋圆极化辐射。
42.根据图1，首先利用hfss/cst等仿真软件对选择的单元天线进行仿真和优化，使单元天线在频率f0点驻波、轴比、增益和方向图都达到预期设计状态。
43.本实施例中共形阵天线共包括1024个单元天线，各单元天线记为a
mn
（n，m=1~64），由于计算机资源无法满足完整1024阵列模型仿真需求，针对本实施例共形阵天线弯曲曲率半径较大情况，将局部12
×
12共144个单元天线组成的阵列天线等效为平面阵列天线进行仿真和优化，直至平面阵列天线在频率f0点驻波、轴比、增益和方向图都满足要求，确定单元天线最终尺寸。
44.根据共形阵天线的共形曲面通道坐标（x0,y0,z0）和展平至平面通道坐标（x1,y1）的映射关系f，可知f(x0,y0,z0) = (x1,y1)。将展平后的平面通道坐标（x1,y1）按照阵面通道排列顺序a
1m
，a
2m
，
…
，a
63m
，a
64m
（m=1~64），依次记录在excel表中，excel表中f1~f1024对应1024单元天线x1坐标，g1~g1024对应1024单元天线y1坐标，图5为本实施例共形阵天线展平成平面阵天线通道坐标示意图。
45.本实施例为了改善共形阵天线的轴比，以相邻四单元依次进行90
°
旋转组阵（如图4，对应单元天线a
11
，a
12
，a
21
，a
22
），故可认为本实施例只有四种圆极化天线42，它们是同一天线依次旋转90
°
所得，图3中所有圆极化天线42都可以看成是局部微带天线4平移复制所得。由此可知，图3中当m=2*i 1，n=2*j 1（i，j=0~31）时，所有单元天线a
mn
中非对称u形缝隙422形状完全一样，都可以通过平移复制单元天线a
11
获得；当m=2*i 1，n=2*j 2（i，j=0~31）时，所有单元天线a
mn
中非对称u形缝隙422形状完全一样，都可以通过平移复制单元天线a
12
获得；当m=2*i 2，n=2*j 1（i，j=0~31）时，所有单元天线a
mn
中非对称u形缝隙422形状完全一样，都可以通过平移复制单元天线a
21
获得；当m=2*i 2，n=2*j 2（i，j=0~31）时，所有单元天线a
mn
中非对称u形缝隙422形状完全一样，都可以通过平移复制单元天线a
22
获得。
46.以实施例中单元天线a
11
为例，圆极化天线42包含三种图形，依次为辐射圆贴片421，非对称u形缝隙422，金属馈电柱423。如图6所示，以圆极化天线42中心为原点，以平行于x轴为x'轴，以平行于y轴为y'轴，构建圆极化天线42局部坐标系x'o'y'（如图6）。辐射圆贴片421图形为半径r1=2mm的圆形。非对称u形缝隙422由八条折线首尾相接构成，在x'o'y'坐标系中，折线对应节点可用a（x
a1
，y
a1
），b（x
b1
，y
b1
），c（x
c1
，y
c1
），d（x
d1
，y
d1
），e（x
e1
，y
e1
），f（x
f1
，y
f1
），g（x
g1
，y
g1
），h（x
h1
，y
h1
）表示，u形缝隙在xoy坐标系中为（f1 x
a1
，g1 y
a1
），（f1 x
b1
，g1 y
b1
），（f1 x
c1
，g1 y
c1
），（f1 x
d1
，g1 y
d1
），（f1 x
e1
，g1 y
e1
），（f1 x
f1
，g1 y
f1
），（f1 x
g1
，g1 y
g1
），（f1 x
h1
，g1 y
h1
）共八个节点依次连接构成的图形。金属馈电柱423图形为半径为r2=0.15mm的圆形。
47.按照与单元天线a
11
相同的处理办法，可得单元天线a
12
的非对称u形缝隙422在xoy坐标系中对应坐标为：（f2 x
a2
，g2 y
a2
），（f2 x
b2
，g2 y
b2
），（f2 x
c2
，g2 y
c2
），（f2 x
d2
，g2 y
d2
），（f2 x
e2
，g2 y
e2
），（f2 x
f2
，g2 y
f2
），（f2 x
g2
，g2 y
g2
），（f2 x
h2
，g2 y
h2
）；可得单元天线a
21
的非对称u形缝隙422在xoy坐标系中对应坐标为：（f65 x
a4
，g65 y
a4
），（f65 x
b4
，g65
‑ꢀyb4
），（f65 x
c4
，g65 y
c4
），（f65 x
d4
，g65 y
d4
），（f65 x
e4
，g65 y
e4
），（f65 x
f4
，g65 y
f4
），（f65 x
g4
，g65 y
g4
），（f65 x
h4
，g65 y
h4
）；可得单元天线a
22
的非对称u形缝隙422在xoy坐标系中对应坐标为：（f66 x
a3
，g66 y
a3
），（f66 x
b3
，g66 y
b3
），（f66 x
c3
，g66 y
c3
），（f66 x
d3
，g66 y
d3
），（f66 x
e3
，g66 y
e3
），（f66 x
f3
，g66 y
f3
），（f66 x
g3
，
g66 y
g3
），（f66 x
h3
，g66 y
h3
）。其他a
mn
天线（m，n≠1，2）可按照与单元天线a
11
，a
12
，a
21
和a
22
内非对称u形缝隙422局部坐标相同在excel直接批量处理。图7和图8分别给出了1024个单元天线内非对称u形缝隙422全局x和y坐标示意图。
48.对于单元天线a
11
的非对称u形缝隙422， excel表中（s1，ab1）=（f1 x
a1
，g1 y
a1
），（t1，ac1）=（f1 x
b1
，g1 y
b1
），（u1，ad1）=（f1 x
c1
，g1 y
c1
）, （v1，ae1）=（f1 x
d1
，g1 y
d1
）, （w1，af1）=（f1 x
e1
，g1 y
e1
）, （x1，ag1）=（f1 x
f1
，g1 y
f1
）, （y1，ah1）=（f1 x
g1
，g1 y
g1
）, （z1，ai1）=（f1 x
h1
，g1 y
h1
），在excel表中使用运算符s1&","&ab1，将结果放置在表格al1中，t1&","& ac1，u1&","& ad1，v1&","& ae1，w1&","& af1，x1&","& ag1，y1&","& ah1，z1&","& ai1运算结果依次放入am1，an1，ao1，ap1，aq1，ar1，as1。之后在excel表中使用运算符"pl"&" "&al1&" "&am1&" "&an1&" "&ao1&" "&ap1&" "&aq1&" "&ar1&" "&as1&" "&"c"，并将运算结果放入at1。对共形阵天线所有天线单元使用与单元天线a
11
的非对称u形缝隙422相同的运算方式，运算命令符如图9所示。将图9中的运算命令符粘贴至autocad命令行中，即可完成共形阵天线所有非对称u形缝隙422图形绘制。
49.单元天线a
11
的辐射圆贴片421和金属馈电柱423都是以通道中心为圆心的圆形图案，首先在excel表中对单元天线a
11
通道中心坐标（f1，g1）使用运算符f1&","& g1，将结果放置在表格i1中，其他单元通道中心坐标采取与单元天线a
11
同样的计算方式，图10给出了所有单元天线通道中心坐标运算符。图11中excel表给出了所有天线单元批量绘制以通道中心坐标为圆点，以r1=2mm为半径的圆形图案命令符，绘制金属馈电柱423时，只需要将图11中excel表各单元天线命令符中最后的数值2改为0.15即可。依次将辐射圆贴片421和金属馈电柱423圆形图案绘图命令符粘贴至autocad命令行中，可以自动完成图形绘制。
50.此外，本实施例共形阵天线的天线外包络可以通过曲面通道坐标映射至平面通道坐标近似获得，也可以通过pro/engineer软件展平面组功能精确获得。完成autocad绘图后即可进行pcb加工。
51.共形阵天线装配时，通过销钉定位，将平面pcb形式的阵列天线弯折贴附在曲面载板上，通过共形压块固定，最后将阵列天线胶接或焊接在曲面载板上。
52.实施例2本实施例在实施例1的基础上：本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现实施例1的共形阵天线设计方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。
53.实施例3本实施例在实施例1的基础上：本实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例1的共形阵天线设计方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。存储介质包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，存储介质不包括电载波信号和电信信号。
54.需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。