[發(fā)明專利]65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機電集成設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210466403.6
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102968532A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王偉;王從思;胡乃崗;冷國俊;段寶巖;黃進;保宏;曹鴻鈞;宋立偉
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機電集成設(shè)計方法，用于指導65m口徑大型天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其機械性能和電性能全優(yōu)。

背景技術(shù)

隨著雷達通信、深空探測和射電天文事業(yè)的發(fā)展，反射面天線正在向高頻段、大口徑的方向發(fā)展。大型反射面天線是典型的機電一體化裝備，其機械性能與電性能相互影響、相互制約。工程中，電氣工程師提出機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，而結(jié)構(gòu)工程師只能憑經(jīng)驗分配各組成部件的設(shè)計精度。結(jié)果出現(xiàn)兩種情況，一是后者用盡了所有辦法、用上了最好的加工設(shè)備與手段，還是無法滿足要求；二是在實際生產(chǎn)中，制造精度高的并非總能滿足電性能指標，而有些制造精度沒那么高的反倒可以滿足電性能指標。結(jié)果導致天線制造成本高，研制周期長，其性能無法從根本上保證。

由于大型反射面天線的設(shè)計、制造與測試費用很高，因此要求其設(shè)計應(yīng)當一次成型。但又因大型天線的口徑達幾十米，其重量多達幾百上千噸，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大難度；同時由于這種大型的天線結(jié)構(gòu)非常易受到外部環(huán)境作用而發(fā)生變形，使天線電性能受到影響。如結(jié)構(gòu)變形使得天線增益下降、副瓣電平升高等。當高頻段的天線工作頻率達到Ka頻段時，天線結(jié)構(gòu)變形對天線電性能的影響將更為嚴重。由于現(xiàn)有的反射面天線設(shè)計技術(shù)中無法確定結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁參數(shù)之間的定量關(guān)系，導致天線結(jié)構(gòu)設(shè)計時必然存在機電分離的問題。

目前，國內(nèi)外解決天線機電分離設(shè)計問題最常用的方法有如下幾種：

(1)從綜合角度對天線進行集成分析，用優(yōu)化建模的思想把各個機械、電磁等學科的設(shè)計要求進行統(tǒng)一考慮，這種方法考慮了機電綜合設(shè)計的好處。如劉京生等所采用的方法就是這種綜合優(yōu)化方法。但該方法沒有從根本上分析天線結(jié)構(gòu)變形是如何影響天線電性能的，即不能在滿足電性能指標前提下給出降低結(jié)構(gòu)設(shè)計難度的方案。

(2)利用天線反射面變形分布函數(shù)，得到各節(jié)點對天線遠區(qū)電場的貢獻，從而分析不同變形情況下的天線電性能變化情況，如在K.Bahadori,Y.Rahmat-samii.Characterization?ofeffects?of?periodic?and?aperiodic?surface?distortions?on?membrane?reflector?antennas.IEEE?Trans.Antennas?and?Propagation,VOL.53,NO.9,September?2005中所采用的方法就是這種方法。該方法僅是假設(shè)反射面變形滿足一定的三角函數(shù)分布，但實際中結(jié)構(gòu)變形難以用某一具體函數(shù)給出。同時該方法的機電性能綜合分析是建立在結(jié)構(gòu)變形形狀假設(shè)的基礎(chǔ)上，不能反映天線結(jié)構(gòu)變形與天線電性能之間的真實影響關(guān)系。

(3)采用實際工程中的天線變形曲面上的測量點，以及理論節(jié)點仿真分析變形后作為計算對象，分析天線變形對天線電性能的影響，如在《現(xiàn)代雷達》1994年第1期“天線變形曲面的一種擬合方法”（華慕麟）文獻中就采用這種方法。此方法工程應(yīng)用價值大，但關(guān)鍵是要有實際加工、裝配好的天線，且需在天線實物上進行測量分析。一般天線結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在仿真設(shè)計階段需要知道當前結(jié)構(gòu)下的天線電性能，并據(jù)此判斷是否需要更改或重新設(shè)計天線結(jié)構(gòu)，而不能在天線結(jié)構(gòu)已確定、反射面已加工成形、裝配也已完成的情況下，再分析天線的機械性能和電性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，針對某65米口徑大型反射面天線，提出一種天線結(jié)構(gòu)的機電集成設(shè)計方法，指導65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)的機電一體化設(shè)計，以降低設(shè)計成本、提高天線的機械和電磁綜合性能。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，基于65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)有限元分析，得到反射面變形后的節(jié)點位移，根據(jù)反射面節(jié)點的理論設(shè)計坐標和變形后坐標的空間位置關(guān)系，計算反射面節(jié)點位移導致的口徑場相位誤差，并在此基礎(chǔ)上計算天線遠區(qū)電場分布，繪制天線遠區(qū)電場的方向圖，得到天線增益、副瓣電平和波束寬度，以天線結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和拓撲等參數(shù)為設(shè)計變量，天線電性能參數(shù)最優(yōu)為目標，建立優(yōu)化模型，對天線結(jié)構(gòu)進行機電集成設(shè)計。具體過程如下：

（1）根據(jù)65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)及形狀參數(shù)，確定天線結(jié)構(gòu)有限元模型，得到反射面三角形單元，及三角形單元節(jié)點的理論坐標和

（2）利用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)有限元模型進行靜力分析，得到反射面變形后各三角形單元節(jié)點的位移和

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析軟件所得到的65m口徑大型反射面天線各三角形單元及其節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系，計算各三角形單元質(zhì)心點的理論坐標和位移