面向增益与指向大型变形抛物面天线面板吻合旋转调整方法

文档序号:9813041
面向增益与指向大型变形抛物面天线面板吻合旋转调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域,具体是一种面向增益与指向的大型变形抛物面天线面 板吻合旋转调整方法,用于主动调整大型变形抛物面天线的反射面面板位置,使天线工作 性能达到最优。
【背景技术】
[0002] W接收功能为主的大型面天线,必须建造得既大又好,"大",意味着有大口径和大 聚集面积,可W接收更强信号,从并观测太空微弱源;"好",意味着两方面,一是有较精确的 反射面表面,使天线可观测在较短波段,二是有较高的指向精度,实现窄波束观测,W获得 较高分辨率,从而实现射电望远镜"看得远、看得清、看得准"。面对射电望远镜大口径、高频 段的发展趋势,在复杂环境中服役的大型天线受到自重、溫度和风荷等因素影响下会产生 结构变形,并且服役过程中天线进行俯仰方位转动,天线表面形貌时变,另外还存在制造、 安装等随机误差,它们共同导致了天线电性能恶化,例如增益降低、副瓣抬高、指向偏转等。 此时有必要对天线反射面的空间位置与几何形状进行调整,即主动反射面调整,运是补偿 天线电性能最有效的手段。
[0003] 目前国内外多部大型射电望远镜都已经采用了或即将采用主动反射面调整技术, 例如美国GBT、墨西哥LMT、意大利SRT、智利CCAT和中国天马望远镜。一些早年建造的大型天 线,例如德国1971年的Effelsberg 100米天线和美国1964年的化ys化Ck 37米天线,都于二 十世纪初将其副面升级为可变形副面。目前我国正在建设的FAST 500米天线和计划在新疆 建造的QTT 110米天线也将应用运一技术。可见面对大型抛物面天线的发展趋势,采用主动 反射面调整技术是大势所趋。在已有的一些与大型天线电性能补偿的相关专利中,比如西 安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室的专利《一种变形大型单反射面天线 的馈源位置补偿方法》、《一种基于机电禪合的大型赋形双反射面天线的副面补偿方法》和 《一种基于机电禪合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法》都是基于传统的天线结构 形式,分别通过移动馈源、副面到匹配位置,和通过天线整体方位俯仰转动调整的方法,对 因天线结构变形引起的天线型面变形,从而导致的天线电性能恶化问题进行间接补偿,由 于仍然存在天线型面变形,无法弥补天线增益损失,而且运些调整方法过程较繁琐,不能直 接解决主要问题,在实际应用中已无法满足大型天线的工作性能补偿。
[0004] 因此,有必要基于天线主动反射面的结构设计形式和面板主动调整方法,根据天 线结构和面板的重力变形信息,对其进行分析,进而得到抛物面的变形情况,然后根据最优 工作性能下的目标曲面来确定变形抛物面面板的吻合旋转调整量,用于指导天线面板调 整,进而改善天线工作性能,运一过程即为面向增益和指向的大型变形抛物面天线面板吻 合旋转调整方法。

【发明内容】

[000引针对W前调整方法存在的不足,本文发明了一种面向增益与指向的大型变形抛物 面天线面板吻合旋转调整方法,该方法针对大型变形抛物面天线,通过面板吻合旋转调整 方法来改善天线工作性能。
[0006] 为了实现上述目的,本发明提供的调整方法包括如下步骤:
[0007] (1)根据大型抛物面天线的结构参数、工作频率及材料属性,确定天线结构方案及 促动器初始位置,在有限元力学分析软件中建立理想情况下天线结构有限元模型,并确定 促动器支撑面板节点;
[0008] (2)根据建立的理想情况下天线结构有限元模型,在有限元力学分析软件中对未 变形抛物面天线结构有限元模型施加重力载荷,计算天线结构自重变形,并提取天线变形 抛物面的节点信息;
[0009] (3)根据天线变形抛物面的节点信息,基于最小二乘原理,计算天线最佳吻合抛物 面;
[0010] (4)根据天线最佳吻合抛物面,计算天线变形抛物面的均方根误差,根据大型抛物 面天线的性能要求,判断天线增益是否满足要求,若不满足,进行步骤(5),若满足,进行步 骤(8);
[0011] (5)根据天线指向,反转天线最佳吻合抛物面,确定最优工作性能下的目标曲面;
[0012] (6)确定天线变形抛物面与目标曲面的对应节点,计算促动器调整量;
[0013] (7)根据促动器调整量,对应调整天线面板至新位置,更新天线结构有限元模型, 转至步骤(2);
[0014] (8)利用抛物面天线机电禪合模型,计算变形抛物面天线电性能,根据大型抛物面 天线的性能要求,判断天线指向是否满足要求,若不满足,进行步骤(6),若满足,则输出促 动器调整量,从而得到最优的面板吻合旋转调整量。
[0015] 所述大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距;所述大型抛物面天线的 材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、弹性模量。
[0016] 所述步骤(3)计算大型变形抛物面天线的最佳吻合抛物面,包括如下过程:
[0017] (3a)基于天线结构有限元模型,提取理想设计面上N个采样节点的理论坐标P(Xi, yl,Zl),根据天线变形抛物面的节点信息,提取天线变形抛物面上的N个采样点Pl(xo,yo, zo),假设Po(xo',yo',zo')是天线最佳吻合抛物面上的N个采样节点之一,利用变形抛物面对 最佳吻合抛物面的坐标误差Ar = r(Pi)-r(P〇),根据最小二乘原理,构造方程组A ? e = H,

[0021] 其中A为系数,e为天线最佳吻合抛物面的参数,N为采样点个数,f为理想设计面的 焦距;
[0022] (3b)求解上述方程组,得到天线最佳吻合抛物面的参数0,即A X、A y、A Z、(^、(K 和A f,其中A X、A y、A Z为天线最佳吻合抛物面顶点在坐标系中相对于理想设计面顶点的 位移,(l)x、(K分别为天线最佳吻合抛物面的焦轴绕坐标轴x、y的转角逆时针为正,为微小 量,Af为焦距变化量;
[0023] (3c)将天线最佳吻合抛物面的参数代入反射面公式中,得到天线最佳吻合抛物面 的方程为:
[0025] 所述步骤(4)计算变形抛物面的均方根误差,包括如下过程:
[0026] (4a)根据变形后节点对天线最佳吻合抛物面的法线方向余弦等于理想设计面上 相应节点的法线方向余弦,由理想设计面上采样节点的理论坐标P(xi,yi,zi)的法线方向余 弦,得到天线变形抛物面上的采样节点Pl(x日,y日,z日)的法线方向余弦(li,mi,ni):
[002引得到经过采样节点Pi Uo,yo,ZO)的法线方程:
[0030] (4b)求解法线方程,得到过天线变形抛物面上节点的法线方向直线与最佳吻合抛 物面交点的Z坐标,W及天线变形抛物面上采样节点PiUo,yo,zo)对应天线最佳吻合抛物面 的法线方向的交点P日(x日',y日',z日')坐标,即天线最佳吻合抛物面上采样节点,并利用如下 式子,计算天线变形抛物面上节点Pi相对于天线最佳吻合抛物面上节点Po的法向偏差:
[0032] (4c)依据各节点的法向偏差,计算整个天线
再多了解一些
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