专利名称：65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法
技术领域：
本发明属于天线技术领域，具体是一种65m 口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，用于指导65m 口径大型天线的结构设计，使其机械性能和电性能全优。
背景技术：
随着雷达通信、深空探测和射电天文事业的发展，反射面天线正在向高频段、大口径的方向发展。大型反射面天线是典型的机电一体化装备，其机械性能与电性能相互影响、相互制约。工程中，电气工程师提出机械结构设计要求，而结构工程师只能凭经验分配各组成部件的设计精度。结果出现两种情况，一是后者用尽了所有办法、用上了最好的加工设备与手段，还是无法满足要求；二是在实际生产中，制造精度高的并非总能满足电性能指标，而有些制造精度没那么高的反倒可以满足电性能指标。结果导致天线制造成本高，研制周期长，其性能无法从根本上保证。由于大型反射面天线的设计、制造与测试费用很高，因此要求其设计应当一次成型。但又因大型天线的口径达几十米，其重量多达几百上千吨，给结构设计带来很大难度；同时由于这种大型的天线结构非常易受到外部环境作用而发生变形，使天线电性能受到影响。如结构变形使得天线增益下降、副瓣电平升高等。当高频段的天线工作频率达到Ka频段时，天线结构变形对天线电性能的影响将更为严重。由于现有的反射面天线设计技术中无法确定结构参数与电磁参数之间的定量关系，导致天线结构设计时必然存在机电分离的问题。目前，国内外解决天线机电分离设计问题最常用的方法有如下几种(I)从综合角度对天线进行集成分析，用优化建模的思想把各个机械、电磁等学科的设计要求进行统一考虑，这种方法考虑了机电综合设计的好处。如刘京生等所采用的方法就是这种综合优化方法。但该方法没有从根本上分析天线结构变形是如何影响天线电性能的，即不能在满足电性能指标前提下给出降低结构设计难度的方案。(2)利用天线反射面变形分布函数，得到各节点对天线远区电场的贡献，从而分析不同变形情况下的天线电性能变化情况，如在K. Bahadori, Y. Rahmat-samii.Characterization ofeffects of periodic and aperiodic surface distortions onmembrane reflector antennas. IEEE Trans. Antennas and Propagation, VOL. 53, NO. 9, September 2005中所采用的方法就是这种方法。该方法仅是假设反射面变形满足一定的三角函数分布，但实际中结构变形难以用某一具体函数给出。同时该方法的机电性能综合分析是建立在结构变形形状假设的基础上，不能反映天线结构变形与天线电性能之间的真实影响关系。(3)采用实际工程中的天线变形曲面上的测量点，以及理论节点仿真分析变形后作为计算对象，分析天线变形对天线电性能的影响，如在《现代雷达》1994年第I期“天线变形曲面的一种拟合方法”(华慕麟)文献中就采用这种方法。此方法工程应用价值大，但关键是要有实际加工、装配好的天线，且需在天线实物上进行测量分析。一般天线结构设计人员在仿真设计阶段需要知道当前结构下的天线电性能，并据此判断是否需要更改或重新设计天线结构，而不能在天线结构已确定、反射面已加工成形、装配也已完成的情况下，再分析天线的机械性能和电性能。
发明内容
本发明的目的是避免上述现有技 术方法的不足，针对某65米口径大型反射面天线，提出一种天线结构的机电集成设计方法，指导65m 口径大型反射面天线结构的机电一体化设计，以降低设计成本、提高天线的机械和电磁综合性能。实现本发明目的的技术方案是，基于65m 口径大型反射面天线结构有限元分析，得到反射面变形后的节点位移，根据反射面节点的理论设计坐标和变形后坐标的空间位置关系，计算反射面节点位移导致的口径场相位误差，并在此基础上计算天线远区电场分布，绘制天线远区电场的方向图，得到天线增益、副瓣电平和波束宽度，以天线结构尺寸、形状和拓扑等参数为设计变量，天线电性能参数最优为目标，建立优化模型，对天线结构进行机电集成设计。具体过程如下(I)根据65m 口径大型反射面天线结构及形状参数，确定天线结构有限元模型，得到反射面三角形单元，及三角形单元节点的理论坐标和
Pui (Χ ，3，少'-,3 , Zi,3 ) >(2)利用结构有限元分析软件，对65m 口径大型反射面天线结构有限元模型进行静力分析,得到反射面变形后各三角形单元节点的位移、Δ^,2 2，，Kl )和M,3 , Δ> , Δ4 );(3)根据结构有限元分析软件所得到的65m 口径大型反射面天线各三角形单元及其节点的对应关系，计算各三角形单元质心点的理论坐标和位移AM (Axff, A}f,Azfi )·,(4)利用空间两点距离计算公式，得到反射面变形后各三角形单元质心节点M'(x^+Ax^vfi+AyfiyZfi+^' )的光程差ε i，并计算各三角形单元质心节点位移在口径面引起的相位误差Si;(5)确定65m 口径大型反射面天线口径面场振幅分布Q(P ')，依据各三角形单元质心节点位移在口径面引起的相位误差S i，通过天线远区电场分布函数，计算天线电性能参数；(6)以天线结构中尺寸、形状和拓扑参数为设计变量，以天线电性能参数最优为目标，建立优化数学模型，通过求解此模型得到机械性能和电性能全优的65m 口径大型反射面天线结构方案。所述步骤(3)按如下过程进行(3a)设第η个三角形单元的三个节点坐标分别为匕(4，戍，‘)、P,,a 2，)<2，Zpna )和4 3，yPn,，<3 )，得到该三角形单元质心点坐标 ，，zf )
权利要求
1.一种65m 口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于，该方法包括如下过程 (1)根据65m口径大型反射面天线结构及形状参数，确定天线结构有限元模型，得到反射面三角形单元，及三角形单元节点的理论坐标A和P!,3); (2)利用结构有限元分析软件，对65m口径大型反射面天线结构有限元模型进行静力分析，得到反射面变形后各三角形单元节点的位移、
2.根据权利要求I所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于，所述步骤(3)按如下过程进行 (3a)设第η个三角形单元的三个节点坐标分别为(<2，‘，<2)和4(d<3)，得到该三角形单元质心点坐标，#，zf)
3.根据权利要求I所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于所述步骤(4)按如下过程进行 (4a)设馈源相位中心的坐标为F(xf，yF, zF)，变形之前馈源到反射面第η个三角形单元质心点
4.根据权利要求I所述的65m 口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于所述步骤(5)按如下过程进行 (5a)依据如下公式得到天线口径场振幅分布Q(P )为
5.根据权利要求4所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于所述步骤(5e)计算天线电性能参数依据天线远区电场分布，绘制天线远区电场方向图，从天线远区电场方向图中得到天线的增益G、副瓣电平SLL和波束宽度Θ。
6.根据权利要求I所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于所述步骤(6)按如下过程进行 (6a)建立如下65m 口径大型反射面天线结构机电集成优化模型计算最优结构设计参数式中，A=(Ai), (i = 1,2,...,NA)为原始结构背架单元横截面积，Z=(Zi), α=1，2，···，ΝΖ)为背架结构下弦节点纵向坐标值，ma为俯仰齿轮上单位面积的配重，AGs为第s工况下的增益损失，a s为该工况的权值，W为总重量，W0为质量上限，Zp为天线整体重心的位置，Ζ=为天线俯仰轴的设计高度，σ丨为第j个单元在第s工况下的vonMises应力值，某工况下最大单元应力值，NE为单元总数，NS为工况总数； (6b)采用序列二次规划法(SQP-D0NLP)来对65m 口径大型反射面天线结构机电集成优化模型进行求解，并利用有限差分方法来计算优化模型中目标函数和约束函数的敏度，判断计算出的天线电参数是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计方案合格；否则，修改设计变量值，并重复步骤(I)至步骤(6)，直至得到满足机械性能和电性能指标的结构设计方案。
7.根据权利要求I所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于步骤(I)中天线结构包括中心体、背架以及反射面板尺寸。
8.根据权利要求I所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法，其特征在于所述步骤⑴三角形单元节点的理论坐标、<2(4，4，<2)和^^ ^^^^、步骤^彡反射面变形后各三角形单元节点的位移为^』^,^^，々^)、δα2(δ^，δ<2，δ4)和/^3(么<3,4<3,七；；)、步骤(3)各三角形单元质心点的理论坐标为财(<，#，3^)和位移—(^^3>，;^^)、步骤(4)反射面变形后各三角形单元质心节点为+Axfjf+Δ#，#+Arf )中，i为大于I的自然数。
全文摘要
本发明公开了一种65米大型反射面天线的机电集成设计方法，主要解决大型天线设计中机电集成的问题。其步骤是基于天线结构有限元分析，得到反射面变形后节点位移信息；根据节点理论设计坐标和变形后坐标空间位置关系，计算三角形单元质心点的理论坐标和位移；计算反射面三角形单元质心点的光程差及其对应口径面上的相位误差；将单元投影到口径面上，计算远区电场分布，得到电性能参数；以天线结构参数为设计变量，天线电性能参数最优为目标，建立优化模型；采用序列二次规划法求解优化模型，得到最优机械电磁综合设计方案，实现反射面天线机电集成设计。本发明可用于指导大型反射面天线的结构设计及对不同工况下的天线机电综合性能分析与评价。
文档编号G06F17/50GK102968532SQ20121046640
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者王伟, 王从思, 胡乃岗, 冷国俊, 段宝岩, 黄进, 保宏, 曹鸿钧, 宋立伟 申请人:西安电子科技大学