一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，主要解决单反射面天线因热变形引起的电性能下降问题。其方案是：（1）根据天线结构参数，建立未变形单反射面天线有限元模型；（2）计算在其上加载温度载荷后发生变形的节点坐标；（3）提取变形后主反射面的节点坐标和单元信息，建立天线热变形主反射面的电磁模型；（4）在天线热变形主反射面的电磁模型中，计算未补偿时的电性能；（5）利用遗传算法，对变形后主反射面的变形参量进行优化，由变形参量得馈源位置及指向，计算天线补偿后的电性能；（6）比较补偿前后天线的电性能，判断电性能提高量是否满足要求，是，为最佳馈源位置；否，重新设置优化参数再计算，直至满足要求。
【专利说明】一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天线【技术领域】，具体是一种变形大型单反射面天线的补偿方法，用于指导变形大型单反射面天线的馈源位置调整，使其电性能达到最优。
【背景技术】
[0002]随着大口径、高频段的反射面天线日益广泛应用到通信和宇宙探索等领域中，天线结构与电磁性能之间的关系越来越密切，即使天线结构设计合理，但是由于热、重力、风等作用引起反射面的微小变形，也会对高频段天线的电性能产生严重的影响。在过去只要通过Ruze公式，由可接受的电性能损耗指标计算出加工反射面表面均方根误差，随着工作频率的增高，现有的制造工艺越来越难以实现这个反射面均方根误差。
[0003]为降低变形对单反射面天线电性能的影响，国内外学者提出了众多的反射面变形补偿方法。这就使得在工程中不需要拘泥与单反射面天线的形状与与原设计曲面完全一致，只需要实际单反射面天线与原设计曲面为同族的近似抛物面，就可保证电性能。但是多数研究人员对变形单反射面天线的变形进行分析，得到的数学表达式不仅比较繁琐、求解复杂，而且不能反映反射面的真实变形情况，这就使以上补偿方法在实际应用中因补偿计算代价大，难以进行有效应用。
[0004]因此，有必要根据天线结构和反射面节点位移的分析，来对变形反射面天线的变形参数进行研究，以确定变形曲面方程，然后根据这些变形参数来确定变形反射面天线的馈源最佳位置和指向以补偿天线的电性能，这一过程即为一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法。
【发明内容】
[0005]针对上述补偿方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，该方法针对单反射天线，通过改变馈源的位置及其指向以改善变形单反射面天线的电性能。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供的补偿方法包括如下步骤:
[0007](I)根据单反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，在ANSYS中建立未变形单反射面天线有限元模型，提取未变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标；
[0008](2)根据单反射面天线所处环境的温度载荷，在ANSYS软件中对未变形单反射面天线有限元模型加载温度载荷，然后计算在该温度载荷下的变形单反射面天线有限元模型的各个节点坐标；
[0009](3)提取变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标，在FEKO软件中建立单反射面天线热变形主反射面的电磁模型；
[0010](4)在补偿前单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，以未变形单反射面天线设计焦点为馈源位置，在此位置建立点源代替馈源；设置FEKO求解方法和求解参数，在补偿前单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算补偿前变形单反射面天线的电性倉泛;
[0011](5)利用遗传优化算法，对变形单反射面天线中变形主反射面的六个变形参量进行优化，由六个变形参量计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的馈源位置和焦轴指向，计算得到的馈源位置建立点源，使点源的指向与计算得到的焦轴指向一致；设置FEKO求解方法和求解参数，在补偿后单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算补偿后变形单反射面天线的电性能；
[0012](6)比较补偿前与补偿后的变形单反射面天线的电性能，判断变形单反射面天线补偿前后的电性能提高量是否满足要求，如满足要求，则计算得到的变形单反射面天线馈源位置为能够补偿单反射面天线电性能的最佳馈源位置；否则，重新设置优化参数，重复步骤(5)，直至满足要求。
[0013]所述单反射面天线的结构参数包括口径和焦距。
[0014]所述单反射面天线的材料属性包括单反射面天线背架材料和单反射面天线面板的密度、热传导率、比热、泊松比、弹性模量和热膨胀系数。
[0015]所述补偿前的变形单反射面天线的电性能为未补偿变形单反射面天线的天线增益；所述补偿后的变形单反射面天线的电性能为补偿后变形单反射面天线增益。
[0016]所述步骤(5)中，计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的电性能按如下过程进行:
[0017](5a)利用步骤(1)提取的未变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标和步骤(3)提取的变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标，利用遗传算法，对吻合抛物面的顶点相对于原坐标系Ο-xyz中的位移Λ X、Λ y、Λ z和吻合抛物面绕原坐标系的旋转参量φχ、及焦距变化量六 个变形参量进行优化；由变形单反射面天线对吻合抛物面得到轴向均方根误差，令轴向均方根误差最小来确定吻合抛物面的六个变形参量，由六个变形参量确定馈源的焦轴指向，进而得到新焦点的位置；
[0018](5b)在步骤(3)得到的单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，以步骤(5a)中得到的吻合抛物面焦点位置建立点源代替馈源，旋转馈源指向与(5a)中得到的焦轴指向重合，设置FEKO求解方法和求解参数，在单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的电性能。
[0019]所述步骤(5a)中，得到新焦点的位置通过下述方法实现:
[0020]5a-l)设未变形单反射面天线上一点P (xp, yp, zp),在吻合抛物面上对应点Ptl (xp，yp，z0),在变形单反射面天线上对应点P1Up, yp，Z1)；
[0021]未变形单反射面天线的母线方程是:
【权利要求】
1.一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，该方法包括下述步骤: (1)根据单反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，在ANSYS中建立未变形单反射面天线有限元模型，提取未变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标； (2)根据单反射面天线所处环境的温度载荷，在ANSYS软件中对未变形单反射面天线有限元模型加载温度载荷，然后计算在该温度载荷下的变形单反射面天线有限元模型的各个节点坐标； (3)提取变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标，在FEKO软件中建立单反射面天线热变形主反射面的电磁模型； (4)在补偿前单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，以未变形单反射面天线设计焦点为馈源位置，在此位置建立点源代替馈源；设置FEKO求解方法和求解参数，在补偿前单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算补偿前变形单反射面天线的电性能； (5)利用遗传优化算法，对变形单反射面天线中变形主反射面的六个变形参量进行优化，由六个变形参量计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的馈源位置和焦轴指向，计算得到的馈源位置建立点源 ，使点源的指向与计算得到的焦轴指向一致；设置FEKO求解方法和求解参数，在补偿后单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算补偿后变形单反射面天线的电性能； (6)比较补偿前与补偿后的变形单反射面天线的电性能，判断变形单反射面天线补偿前后的电性能提高量是否满足要求，如满足要求，则计算得到的变形单反射面天线馈源位置为能够补偿单反射面天线电性能的最佳馈源位置；否则，重新设置优化参数，重复步骤(5)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，所述单反射面天线的结构参数包括口径和焦距。
3.根据权利要求1所述的一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，所述单反射面天线的材料属性包括单反射面天线背架材料和单反射面天线面板的密度、热传导率、比热、泊松比、弹性模量和热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，所述补偿前的变形单反射面天线的电性能为未补偿变形单反射面天线的天线增益；所述补偿后的变形单反射面天线的电性能为补偿后变形单反射面天线增益。
5.根据权利要求1所述的一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)中，计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的电性能按如下过程进行: (5a)利用步骤(1)提取的未变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标和步骤(3)提取的变形单反射面天线有限元模型主反射面的节点坐标，利用遗传算法，对吻合抛物面的顶点相对于原坐标系Ο-xyz中的位移Λ X、Λ y、Λ z和吻合抛物面绕原坐标系的旋转参量Φχ、及焦距变化量六个变形参量进行优化；由变形单反射面天线对吻合抛物面得到轴向均方根误差，令轴向均方根误差最小来确定吻合抛物面的六个变形参量，由六个变形参量确定馈源的焦轴指向，进而得到新焦点的位置； (5b)在步骤(3)得到的单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，以步骤(5a)中得到的吻合抛物面焦点位置建立点源代替馈源，旋转馈源指向与(5a)中得到的焦轴指向重合，设置FEKO求解方法和求解参数，在单反射面天线热变形主反射面的电磁模型中，计算单反射面天线热变形主反射面补偿后的电性能。
6.根据权利要求5所述的一种变形大型单反射面单反射面天线的馈源位置补偿方法，其特征在于，所述步骤(5a)中，得到新焦点的位置通过下述方法实现: 5a-l)设未变形单反射面天线上一点P(xp, yp, zp),在吻合抛物面上对应点Ptl(xp，yp，z0)，在变形单反射面天线上对应点P1Up, yp，Z1)； 未变形单反射面天线的母线方程是:
【文档编号】G06F17/50GK103488817SQ201310393511
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】王从思, 李辉, 李兆, 刘鑫, 王伟, 朱敏波, 陈光达, 段宝岩, 黄进, 保宏, 宋立伟, 李鹏, 李娜, 李江江 申请人:西安电子科技大学