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阵列天线电磁-结构-热耦合理论:现在与未来

         
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有源相控阵雷达作为支撑国家战略安全的核心装备,承担着国家战略反导、超视距探测、反隐身侦查、远程引导打击等重大任务,维护着我国的国土安全,更是我国大国地位的战略支柱.有源相控阵技术诞生于20世纪60年代的战火之中,军事上的迫切需要使其一经问世就引起了世界的轰动,它的出现甚至影响了世界军事的变革.相比于传统的单脉冲、脉冲多普勒等技术,它使雷达迈入了一个新时代,对雷达发展产生了深远和广泛的影响.有源相控阵雷达中每个天线单元都连接有对应的发射/接收组件,通过控制移相器改变天线孔径上的相位分布,实现天线不做机械转动而天线波束在空间进行快速电扫描.因此,相比于传统机械扫描雷达扫描惯性大、数据率有限、信息通道数少、不易满足自适应和多功能需求等缺点,有源相控阵雷达具备微秒时间内灵活且无惯性扫描、功能多、可靠性高、数据率大、雷达反射截面积低、自适应能力强、不易受到干扰等无可比拟的优势.随着现代国防的重大需求,雷达装备向着超视距、精准探测、极度隐身等方向持续发展,有源相控阵天线向着高频段、高增益、高指向精度、低副瓣电平等方向不断迈进,天线的高电磁指标对结构的刚度、轻量化、高效散热等设计参数提出了严苛的要求,天线内部各参数呈现高维度多场耦合关系,更容易受到战场恶劣环境的干扰而恶化天线的电性能,降低雷达的探测威力、制导精度与战场生存能力等.有源相控阵天线被誉为“三军之眼”,是涉及多学科交叉的典型装备,其结构、热、电磁之间存在的相互影响、相互制约的耦合关系定义为有源相控阵天线的机电热耦合问题.主要耦合问题有四点.其一,馈电误差影响天线电磁性能:有源相控阵天线馈电网络误差、辐射单元失效、热敏电子元器件(如发射/接收组件中的移相器)性能温漂、天线单元互耦等都会引起馈电电流的幅相误差,导致天线电磁性能恶化.其二,结构误差影响天线电磁性能:有源相控阵天线制造、装配存在随机误差,服役中振动、冲击、热功耗等导致阵面变形,最终引起辐射单元位置偏移,天线阵面电磁幅相分布发生变化,导致发射波束变化,最终使天线电性能受到严重影响.其三,热影响天线电磁性能:有源相控阵天线阵面上安装有成千上万的发射/接收组件,热功耗巨大,一方面会导致天线阵面的结构热变形,另一方面也会引起器件的性能下降,最终导致天线电磁性能的恶化.其四,结构、热与电磁性能耦合:三者中任一个变化,都会引起其他两个的变化.有源相控阵雷达在不同占空比工作模式下,其天线阵面电磁幅相会做出相应分布,导致热功耗随之变化,从而引起温度分布发生变化,进而影响天线阵面的结构热变形.因此有源相控阵天线的机电热耦合问题已成为制约其稳健发展,进一步提升性能的瓶颈问题.本文梳理了陆基、舰载、机载、弹载、星载不同平台上有源相控阵天线的发展动态,分析了各武器平台上有源相控阵天线的结构特点,归纳了“陆、海、空、天”不同战场环境的服役载荷对有源相控阵天线的影响,然后总结了天线结构误差、天线罩高温烧蚀、T/R组件馈电误差、天线单元失效等多重因素影响下有源相控阵天线机电热耦合机理分析与建模方法,机电热耦合技术在有源相控阵天线制造精度、高效散热以及轻量化综合优化、稀疏阵设计等领域的应用,以及服役环境下有源相控阵天线状态监测、位移场重构、电性能补偿等关键保障技术,最后探讨了机电热耦合技术的未来研究方向以及在不同研究领域的应用前景.

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