[發明專利]基于近似與靈敏度分析的反射面天線機電集成優化設計方法

有效

• 申請號: 201510582693.4
• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105160115B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 張樹新;保宏;楊東武;張逸群;李申;杜敬利
• 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;G06Q10/04
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 張恒陽

技術領域

本發明屬于雷達技術領域，具體涉及雷達天線領域中的一種基于近似與靈敏度分析的反射面天線機電集成優化設計方法。

背景技術

反射面天線廣泛應用在通信、雷達、射電天文學、微波通信、衛星通信和跟蹤以及遙感等各個領域。反射面天線結構是典型的機電一體化結構，其機械結構性能與電性能相互影響、相互制約。為了設計出高性能的反射面天線，需要從學科交叉、機電集成的角度出發，對反射面天線進行機電集成設計。

段寶巖等人在中國專利“基于擬合變形反射面的天線電性能預測方法”中，公開了一種基于擬合變形反射面的天線電性能預測方法。該方法利用實際變形面構造一相近的擬合變形反射面，并在擬合變形反射面上進行電性能計算。但該方法存在的不足是，采用擬合變形反射面代替實際反射面進行電性能計算，其計算量比較大；同時，由于該方法無法提供較為準確的優化迭代搜索方向，使得優化迭代費時，優化時間較長。鄭飛等人在中國專利“基于誤差因素的反射面天線機電綜合分析方法”中，公開了一種基于誤差因素的反射面天線機電綜合分析方法。該方法通過將結構網格轉化為電磁分析網格，進行電性能計算。但該方法同樣存在計算時間長，無法提供較為準確的優化迭代搜索方向，優化迭代耗時的問題。因此有必要針對上述方法計算時間長、迭代搜索方向不準確的問題，進行基于近似與靈敏度分析的反射面天線機電集成優化設計方法研究。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種基于近似與靈敏度分析的反射面天線機電集成優化設計方法。通過采用近似計算方法獲得變形反射面天線遠區電場，通過靈敏度信息構建優化迭代搜索方向，進而實現反射面天線機電集成優化設計。

本發明的技術方案是：基于近似與靈敏度分析的反射面天線機電集成優化設計方法，包括如下步驟：

(1)輸入反射面天線結構參數和電參數

輸入用戶提供的反射面天線的結構參數和電參數信息，其中結構參數包含口徑、焦距、反射面板尺寸與厚度參數、背架輻射梁尺寸與截面參數、中心體尺寸參數和載荷參數，電參數包含工作波長、饋源總輻射功率參數和要求的電性能參數；

(2)建立機電集成優化模型

從反射面天線結構參數信息中提取反射面背架輻射梁尺寸與截面參數，將背架輻射梁尺寸與截面參數作為優化模型的設計變量，以反射面天線要求的電性能參數為目標函數，依此建立反射面天線機電集成優化設計模型：

Find x＝{x₁,x₂,…,x_M}^T

Min D(x)

s.t. G(x)≤0

其中，Find表示迭代運算，x表示結構設計參數列向量，x₁、x₂、...、x_M依次表示編號為1、2、...、M的結構設計參數，M表示結構設計參數總數，上標T表示向量轉置運算；Min表示最小化運算，D(x)表示反射面天線要求的電性能參數，s.t.表示約束運算，G(x)表示根據設計要求添加的約束函數；

(3)建立結構有限元模型

根據用戶提供的結構參數，計算節點坐標，并根據天線反射面板、背架輻射梁、中心體的結構參數選擇梁單元、殼單元，獲得梁單元和殼單元的尺寸、截面與厚度，利用有限元軟件建立結構有限元模型；

(4)求解結構有限元模型

針對已建立的結構有限元模型，添加結構位移、自由度約束或者邊界條件；根據反射面天線的載荷參數，在結構有限元模型上施加工作載荷；在此基礎上，利用有限元軟件生成結構剛度矩陣，對結構有限元模型進行求解，獲得節點位移、單元應力；

(5)采用近似方法計算遠區電場

在步驟(3)和步驟(4)的基礎上，采用近似方法計算遠區電場；

(6)判斷電性能指標是否滿足要求

判斷遠區電場是否滿足用戶在步驟(1)中指定的電性能要求，如果滿足要求，則轉至步驟(11)，否則轉至步驟(7)；

(7)結構靈敏度分析

在步驟(4)的基礎上，計算節點位移對結構設計參數的靈敏度，通過下式獲得：

其中，表示節點位移對結構設計參數的靈敏度，U表示步驟(4)生成的節點位移列向量，x表示結構設計參數列向量，表示求偏導數運算，K表示步驟(4)生成的結構剛度矩陣，上標-1表示矩陣求逆運算，P表示步驟(4)中的工作載荷列向量；

(8)電性能靈敏度分析