[發明專利]一種靜電成形薄膜天線的電極布局方法

有效

• 申請號: 201310694435.6
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103678810B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 張逸群;段寶巖;杜敬利;楊東武;高峰;張樹新;劉超;郝佳
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 張培勛

技術領域

本發明涉及電極布局及其應用領域，特別是靜電成形薄膜天線的電極布局方法。

背景技術

薄膜反射面天線是一種提高反射面形面精度的新思路，在網狀反射面的基礎上，通過在索網之上放置電極及薄膜反射面，通過靜電場力使之成為更高精度的反射面。靜電成形薄膜反射面形面控制主要是基于控制電極上電勢的大小和分布。薄膜所受靜電力的大小和極板的形面、電壓以及薄膜的形面有關。傳統上，將極板制作成和薄膜最終形面平行的形式，通過平板電容來實現靜電場力和靜電壓的簡單對應。然而，現有支撐結構本身無法提供所需的理想的平行支撐曲面，因而平板電容器原理并不能直接應用。同時靜電場力太弱，通常只有在高電壓作用下才能獲得，但電子元器件的耐高壓性能和地面試驗環境的雙重限制，又不可能通過無限提高電壓的思路來實現較大的靜電力。這導致平面薄膜通過靜電場力不能發生較大的變形，難以滿足工程上要求的大曲率（或小焦徑比）。因而需要對不同位置電極的電壓進行不同配置，才可能實現所需天線形面。

同時，靜電成形薄膜反射面天線最突出的技術優勢之一，便是通過分布式電極對抗太空工作的惡劣熱環境，即在熱環境變化導致支撐索網或薄膜本身形面局部發生變形時，通過調節相應電極的電壓，保持所需的高精度。一般來說，增加分布電極布局數目，可以實現精度的提高。然而分布電極個數過多，將使得控制系統變得復雜龐大，同時也會增加電極間放電擊穿的可能，對實現天線功能是極為不利的。另外，靜電成形薄膜天線在收攏態時折疊封裝，隨著基礎支撐結構展開并通過靜電力控制薄膜成形。這種方案存在的最大隱患在于展開后薄膜可能會發生褶皺現象。對于高精度薄膜反射面天線而言，褶皺是一種不可恢復的失效形式。而保證其不出現褶皺最基本的條件是薄膜受靜電力后其應力不超過應力運行值，且分布均勻。

因此從系統優化技術的角度出發，尋求合理的電極布局的一般方法，在保證面形精度的同時，又不過分的增加系統的復雜性，對靜電成形薄膜反射面技術在大口徑、高精度空間天線的實現是一項關鍵性技術難題。而現有的文獻和相關資料也都沒有正面的給出相應的解決方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種靜電成形薄膜天線的電極布局方法。本發明通過建立薄膜反射面天線的有限元模型，對電極位置及電壓進行相應的優化配置，實現了薄膜反射面天線的最優電極布局。該發明能夠有效提高反射面的形面精度，防止反射面褶皺，同時降低系統的復雜性。其關鍵步驟就是通過優化的方法對反射面電極進行位置及電壓進行配置。

本發明的技術方案是，一種靜電成形薄膜天線的電極布局方法，其特征是：包括如下步驟：

步驟101：開始靜電成形薄膜反射面天線電極布局方法；

步驟102：選擇初始的電極劃分、電壓通道數目、初始電壓配置、初始電極位置配置；

步驟103：建立在靜電力作用下的薄膜反射面形面控制模型；

步驟104：基于優化的方法，計算天線反射面各參數性能，配置電極位置及相應電壓；

步驟105：結束靜電成形薄膜反射面天線布局方法。

所述的步驟103，包括如下步驟：

步驟201：開始建立薄膜反射面形面控制模型；

步驟202：將薄膜反射面離散為若干個平面三角形膜單元；

步驟203：得到反射面上任一點的位移-應變關系ε_x，ε_y、ε_xy；

步驟204：得到薄膜反射面的應變能其中{ε_D}={ε_xD,ε_yD,0}^T是在外擾下的應變；

步驟205：基于平板電容器原理，得到靜電面力其中U是極間電壓，ε_PER是真空介電常數。

步驟206：基于虛功原理，膜單元應力在虛應變上所做的功等于在受到靜電面力作用下其在虛位移上做的功，即可得薄膜系統的形面控制模型[K_L+K_NL]{X}={F_D+F_E}，其中[K_L]和[K_NL]分別是薄膜結構的線性及非線性剛度陣，{X}是節點位移向量，{F_D}和{F_E}分別是外擾及靜電面力的載荷向量。

步驟207：結束建立薄膜反射面形面控制模型，獲得節點變形與外擾和靜電面力載荷的關系。

所述的步驟104，包括如下步驟：