基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方法

文档序号:9547344阅读:423来源:国知局
基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达技术领域,具体涉及雷达天线领域中的一种基于结构-电磁混合 单元的反射面天线机电集成优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 反射面天线广泛应用在通信、雷达、射电天文学、微波通信、卫星通信和跟踪以及 遥感等各个领域。反射面天线结构是典型的机电一体化结构,其机械结构性能与电性能相 互影响、相互制约。为了设计出高性能的反射面天线,需要从学科交叉、机电集成的角度出 发,对反射面天线进行机电集成设计。
[0003] 段宝岩等人在中国专利"基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法"中,公开了 一种基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法。该方法利用实际变形面构造一相近的 拟合变形反射面,并在拟合变形反射面上进行电性能计算。但该方法存在的不足是,采用拟 合变形反射面代替实际反射面进行电性能计算,其计算量比较大;同时,由于该方法无法提 供较为准确的优化迭代搜索方向,使得优化迭代费时,优化时间较长。郑飞等人在中国专利 "基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法"中,公开了一种基于误差因素的反射面天 线机电综合分析方法。该方法通过将结构网格转化为电磁分析网格,进行电性能计算。但 该方法同样存在计算时间长,无法提供较为准确的优化迭代搜索方向,优化迭代耗时的问 题。因此有必要针对上述方法计算时间长、迭代搜索方向不准确的问题,提出一种基于结 构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方法研究。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是克服上述现有技术的不足,提供一种基于结构-电磁混合单元的 反射面天线机电集成优化设计方法。通过结构-电磁混合单元建立反射面天线结构-电磁 混合有限元模型,在求解有限元模型的同时获得天线结构与电磁性能,通过灵敏度信息构 建优化迭代搜索方向,进而实现反射面天线机电集成优化设计。
[0005] 本发明的技术方案是:基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计 方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0006] (1)输入反射面天线结构参数和电参数
[0007] 输入用户提供的反射面天线的结构参数和电参数信息,其中结构参数包含口径、 焦距、反射面板尺寸与厚度参数、背架辐射梁位置、尺寸与截面参数、中心体尺寸参数和载 荷参数,电参数包含工作波长、馈源总福射功率参数和要求的电性能参数;
[0008] (2)建立机电集成优化模型
[0009] 从反射面天线结构参数信息中提取反射面背架辐射梁位置、尺寸与截面参数,将 背架辐射梁位置、尺寸与截面参数作为优化模型的设计变量,以反射面天线要求的电性能 参数为目标函数,依此建立反射面天线机电集成优化设计模型:
[0010] Find X = (X1, X2,…,xM}T
[0011] Min D(x)
[0012] s.t. G(x)<0
[0013] 其中,Find表示迭代运算,x表示结构设计参数列向量,x2、. . .、xM依次表示编 号为1、2、. ..、M的结构设计参数,M表示结构设计参数总数,上标T表示向量转置运算;Min 表示最小化运算,D(x)表示反射面天线要求的电性能参数,s. t.表示约束运算,G(x)表示 根据设计要求添加的约束函数;
[0014] (3)建立结构-电磁混合有限元模型
[0015] 根据用户提供的结构参数,计算节点坐标,并根据天线反射面板、背架辐射梁、中 心体的结构参数选择梁单元、壳单元,获得梁单元和壳单元的尺寸、截面与厚度;根据用户 提供的电参数,获得壳单元的电磁时常数,其中包括理想电场强度;将此结构与电磁信息添 加到有限元软件中,建立结构-电磁混合有限元模型;
[0016] (4)求解结构-电磁混合有限元模型
[0017] 针对已建立的结构-电磁混合有限元模型,添加结构位移、自由度约束或者边界 条件;根据反射面天线的载荷参数,在结构有限元模型上施加工作载荷;在此基础上,利用 有限元软件生成结构刚度矩阵,对结构有限元模型部分进行求解,获得节点位移、单元应 力;利用有限元软件生成一阶、二阶电磁刚度矩阵,并进行矩阵运算,获得工作载荷作用下 的电场强度增量;
[0018] (5)获得结构与电磁性能
[0019] 在步骤(4)的基础上,获得天线节点位移、单元应力的结构性能;在步骤(3)与步 骤(4)的基础上,通过下式获得工作载荷作用下的电场强度:
[0021] 其中,f表示工作载荷作用下的电场强度,氧表示反射面天线的理想电场强度; 化表示工作载荷作用下的电场强度增量,其通过下式获得:
[0023] 其中,j表示虚数单位,k表示自由空间波数,η表示自由空间波阻抗,exp表示自 然对数的指数运算,R表示远场观察点位置矢量幅度,η表示圆周率,F表示单位并矢,纖: 表示单位矢量^!的并矢,氏表示步骤(4)中结构-电磁混合有限元模型生成的一阶电磁刚 度矩阵,氏表示步骤(4)中结构-电磁混合有限元模型生成的二阶电磁刚度矩阵,δ表示 求解结构-电磁混合有限元模型后得到的节点位移列向量,S 2表示求解结构-电磁混合有 限元模型后得到的节点位移乘积列向量;
[0024] (6)判断性能是否满足要求
[0025] 判断电场强度是否满足用户在步骤(1)中指定的电性能要求,如果满足要求,则 转至步骤(9),否则转至步骤(7);
[0026] (7)结构与电磁灵敏度分析
[0027] 在步骤(4)和步骤(5)的基础上,通过下式获得电性能参数对结构设计参数的灵 敏度:
[0029] 其中,
表示电性能对结构设计参数的灵敏度,D表示电性能参数,X表示结构设 计参数列向量,9表示求偏导数运算,
表示通过直接微分法获得的电性能参数对节点位 移的灵敏度,S表示节点位移列向量,
表示节点位移对结构设计参数的灵敏度,通过下 式获得:
[0031] 其中,
表示节点位移对结构设计参数的灵敏度,δ表示节点位移列向量,X表 示结构设计参数列向量,Θ表示求偏导数运算,K表示步骤(4)生成的结构刚度矩阵,上 标-1表示矩阵求逆运算,P表示步骤(4)中的工作载荷列向量;
[0032] (8)更新结构设计参数
[0033] 采用基于灵敏度信息优化迭代方法,得到下次迭代的结构设计参数,更新结构设 计参数,转至步骤(3);
[0034] (9)输出结构设计方案。
[0035] 上述步骤(7)中计算电性能参数对节点位移灵敏度的直接微分法计算过程如下:
[0036] 7a)从反射面天线结构性能信息中提取节点位移量,从馈源参数中提取馈源的总 辐射功率;
[0037] 7b)通过下式计算单元法向矢量对节点位移的灵敏度信息:
[0039] 其中,I表示单元法向矢量对节点位移的灵敏度信息值,L表示步骤(3)中得到的 壳单元尺寸;
[0040] 7c)按照下式计算电场强度对节点位移的灵敏度信息值:
[0044] 其中,
表示电场强度对节点位移的敏度信息值,意表示电场强度,δ表示从反 射面天线结构性能信息中提取节点位移量,8表示求偏导数运算,j表示虚数单位,k表示自 由空间波数,η表示自由空间波阻抗,exp表示自然对数的指数运算,R表示远场观察点位 置矢量幅度,π表示圆周率,J表示单位并矢Y 1II:表示单位矢量J的并矢,名、€表示中间 计算量,σ i表示与节点相连的第i个投影正三角形,下标i表示投影正三角形编号;I表示 单元法向矢量对节点轴向位移的敏度信息值,/)(/)表示反射面位置矢量f处的入射磁场, r表示反射面位置矢量,1表示远场观察点的单位矢量;及表示单元法向矢量,Q表示壳单 元上的形函数,0s表示位置矢量F在馈源坐标系下的俯仰角,下标s表示馈源坐标系,θ表 示远场观察点俯仰角;
[0045] 7d)按照下式计算电性能参数对节点位移的灵敏度信息值:
[0047] 其中:
表示电性能参数对节点位移的灵敏度信息值,D表示电性能参数,δ表 示从反射面天线结构性能信息中提取的节点位移量,9表示求偏导数运算,η表示圆周率, R表示远场观察点位置矢量幅度,η表示自由空间波阻抗,P代表馈源总辐射功率,t表示 步骤(5)获得的电场强度,表示电场强度的共辄值,上标*代表共辄运算。
[0048] 上述步骤(8)所述的基于灵敏度信息优化迭代方法是一种基于
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