[發明專利]基于機電耦合的星載有源相控陣天線結構輕量化設計方法

有效

• 申請號: 201610089192.7
• 申請日: 2016-02-17
• 公開（公告）號: CN105787160B
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 王從思;毛靜;王艷;周金柱;李娜;程景勝;鐘劍鋒;梁震濤;李斌;段寶巖;李鵬
• 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: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了基于機電耦合的星載有源相控陣天線結構輕量化設計方法，包括：確定天線結構參數、材料屬性、熱參數及電磁參數；提取鋁蜂窩物性參數和幾何參數；確定天線陣元相位中心；建立天線熱模型，施加熱載荷及邊界條件，計算太空環境下天線溫度場分布；建立天線結構有限元模型，施加溫度載荷及結構約束，計算天線陣面熱變形；提取陣元相位中心節點位移；基于機電耦合模型計算天線輻射方向圖計算變形天線的第一副瓣電平；判斷是否超出容許范圍；修改鋁蜂窩幾何參數，得到星載有源相控陣天線輕量化結構方案。本發明綜合考慮天線機電熱三場間的相互影響，在保證天線電性能要求的前提下實現結構輕量化設計，用于指導星載有源相控陣天線結構設計。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，具體是基于機電耦合的星載有源相控陣天線結構輕量化設計方法。本發明可用于指導星載有源相控陣天線的結構設計，使星載有源相控陣天線在滿足電性能要求的前提下實現結構的輕量化。

背景技術

有源相控陣天線是用電的方式控制天線波束指向變化，從而對空間進行掃描。較無源相控陣天線與反射面天線相比，有源相控陣天線克服了轉動慣性大、掃描速度慢的顯著缺陷。由于衛星通信系統所需的數據傳輸容量越來越大，原來的小口徑、低增益天線已無法適用于飛速發展的星載領域。星載有源相控陣天線可以有效解決上述問題，且其已被廣泛用于星載陣列天線中，如1978年裝有第一顆有源相控陣天線SEASAT-1，還有后期發射的SIR-A/B/C、、先進陸地觀測衛星系統(ALOS)(2006日本)、宇宙-地中海衛星(COSMO-SKYMED)(2007歐空局)、發現者2(DISCOVER-II)等。

星載有源相控陣天線，一方面，受航天運載工具及運載空間的限制，對天線質量要求非常嚴苛，即天線結構的質量需越輕越好，以大大減小天線的研制成本。另一方面，星載有源相控陣天線的每個輻射器都配有發射/接收組件(即T/R組件)，所以每個天線都可以發射和接收電磁波，在實現無慣性且掃描速度快的同時，因天線存在大量的有源器件，故星載有源相控陣天線在熱載荷作用下陣面會發生變形，使得天線結構剛度受到影響，導致天線電性能惡化。可見，星載有源相控陣天線的輕量化與保障平面度是相互制約的。要使天線能正常工作，要求天線電性能必須滿足指標要求，在此情況下，如何實現結構的輕量化設計是非常關鍵的。

因此，有必要從結構-熱-電磁三場耦合的角度出發，充分考慮星載有源相控陣天線的綜合性能，在保證天線電性能的前提下實現星載有源相控陣天線的結構輕量化設計。

發明內容

基于上述問題，本發明提供了基于機電耦合的星載有源相控陣天線輕量化設計方法，該方法利用陣列天線的機電耦合模型，通過建立結構參數與電性能之間的關系，結合電性能對于指標的容許量，不斷調整結構幾何參數，以實現星載有源相控陣天線的輕量化設計，用以指導星載有源相控陣天線的結構設計。

實現本發明的技術解決方案是，基于機電耦合的星載有源相控陣天線結構輕量化設計方法，該方法包括下述步驟：

(1)根據星載有源相控陣天線的結構設計方案，確定天線的結構參數、材料屬性、熱參數及電磁參數；

(2)根據星載有源相控陣天線的結構參數、材料屬性，提取有源安裝板中鋁蜂窩的物性參數和幾何參數；

(3)根據星載有源相控陣天線的電磁參數，確定陣元相位中心；

(4)根據星載有源相控陣天線的結構參數、材料屬性建立星載有源相控陣天線熱模型；

(5)根據星載有源相控陣天線的熱參數，在有限元模型上施加熱載荷，計算太空環境下的天線溫度場分布；

(6)轉換熱單元類型為對應的結構單元類型，建立天線結構有限元模型，確定陣元相位中心節點；將溫度載荷施加于天線結構有限元模型，計算星載有源相控陣天線陣面的熱變形；

(7)根據星載有源相控陣天線陣面熱變形，提取陣元相位中心節點位移；