一种构架式天线索网机电集成制作方法与流程

本发明属于构架式天线技术领域，尤其涉及一种构架式天线索网机电集成制作方法。

背景技术：

构架式可展开天线由多个空间单元组成，是一种网状反射面天线；其独特的模块化设计理念既能有效实现天线结构的大口径和高精度要求。构架式可展天线由上部的金属索网和下部的背架构成。在天线整体组装前期，分别对模块进行设计和调试，而模块索网边界上的节点在索张力平衡条件下，须向里缩进从而形成垂跨结构形式。垂跨比的存在使得边界处的索网三角形面片面积有所缺损，导致反射面上模块间出现缝隙。缝隙的存在对天线电性能会产生影响，那么，如何解决缝隙带来的问题，即设计各模块的索网垂跨比，就成了构架式天线索网设计的关键。若垂跨比小，则会导致边界索网单元的张力增加，反之，垂跨比大，反射面就会损失，进而影响天线的增益。

综上所述，现有的构架式天线索网存在反射面上模块间缝隙带来的天线电性能较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种构架式天线索网机电集成制作方法，旨在解决现有的构架式天线索网存在反射面上模块间缝隙带来的天线电性能较低的问题。

本发明是这样实现的，一种构架式天线索网机电集成制作方法，所述构架式天线索网机电集成制作方法基于粒子群算法，用索网结构的张立平衡条件及索段张力的上下限构成适应度函数；利用优化算法对具有几何非线性特征的索网结构力学模型进行求解，寻找模块索网边界处的垂跨结构。

进一步，所述构架式天线索网机电集成制作方法包括以下步骤：

首先分析构架式天线的电性能，对天线增益进行数学描述；

其次进行索网结构的力学分析，设计索网中各索段的平衡张力；

然后通过分析建立构架式天线索网机电集成设计的优化数学模型；

最后基于张力平衡条件及索段张力上下限的适应度函数，提出基于粒子群优化算法的构架式天线索网机电集成设计方法。

进一步，通过构建索网结构的力平衡方程可求得索网部分的张力值T_NUME×1。

进一步，优化数学模型为：

Findρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T

ρ_j∈[ρ_jl,ρ_ju],j＝1,…,NUMM

进一步，适应度函数为，

其中，f_max是群体中最差可行个体的适应度值；

进一步，反射面天线的方向系数为：

其中，表示馈源的辐射功率；

对反射面上每个面片进行积分计算得到各个单元的远区辐射电场后，在远场对所有面片进行叠加，得到整个天线的远区辐射电场。

将D₁代入天线的增益公式：

G＝D₁η。

进一步，空间索网结构平衡构型上的某个节点i在x,y,z方向上的力平衡方程为：

其中，t_ij为索力，l_ij为索段单元ij的长度，x_i,y_i,z_i,x_j,y_j,z_j为节点坐标值，f_ix,f_iy,f_iz为节点i在x,y,z方向所受的外力。

进一步，将索网中的每一个非约束节点方程集成为矩阵形式，得索网平衡方程如下，

A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}T_NUME×1＝0_{3(NUMC-NUMU)×1}；

式中，A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}为索网的平衡矩阵，T_NUME×1为索段的预拉力列向量，NUMC为索网节点总数，NUMU为索网约束节点总数，NUME为索段总数。

本发明的另一目的在于提供一种由所述构架式天线索网机电集成制作方法制作的构架式天线。

本发明提供的构架式天线索网机电集成制作方法，解决了构架式天线反射面上模块间的缝隙问题。本发明的优化方法基于粒子群算法，用索网结构的张立平衡条件及索段张力的上下限构成适应度函数，同时考虑天线电性能和索网力学性能的好坏，利用优化算法对具有几何非线性特征的索网结构力学模型进行求解，寻找模块索网边界处的垂跨结构形式，以使在索网的力学性能的许可范围内，实现极大程度降低反射面缝隙对天线电性能的影响。

本发明的考虑缝隙影响的构架式天线索网机电集成设计方法，满足索网结构的张立平衡条件及限制索段张力的上下限，将索网的电性能及力学性能作为目标函数，这样既能够满足天线设计时的硬性要求，又能对设计效果进行优化；优化模型的目标函数是节点坐标变量的函数，而索网节点坐标与垂跨比有关，因而目标函数是垂跨比的隐式函数。对于这一高度非线性多目标问题，通过对目标进行加权解决了多目标问题，通过构造合适的适应度函数将约束问题转化成了无约束问题，从而可以选择PSO算法进行求解。本发明能够设计天线的索网力学结构，保证索网的力学性能在许可范围内，能极大程度降低反射面缝隙对天线电性能的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的构架式天线索网机电集成制作方法流程图。

图2是本发明实施例提供的索网结构节点受力平衡示意图。

图3是本发明实施例提供的构架式天线的有限元模型图。

图4是本发明实施例提供的目标函数迭代过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的构架式天线索网机电集成制作方法包括以下步骤：

S101：分析构架式天线的电性能特点，对天线增益进行数学描述；

S102：进行索网结构的力学分析，设计索网中各索段的平衡张力；

S103：通过分析建立构架式天线索网机电集成设计的优化数学模型；

S104：基于张力平衡条件及索段张力上下限的适应度函数，提出基于粒子群优化(PSO)算法的考虑缝隙影响的构架式天线索网机电集成设计方法。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的构架式天线索网机电集成制作方法包括以下步骤：

1)索网机电集成设计是在分析天线电性能的基础上进行的，首先确定构架式天线的电性能特点；构架式可展开天线的每个模块均并行制造及组装，每个模块上均铺有采用导电性能良好的金属丝网，它将入射于面上的电磁波几乎全部反射。对于每个模块的边界索网部分，由于垂跨比的存在，使得边界处的三角形面片面积有所缺损，从而导致模块间出现缝隙。缝隙会影响天线的电性能，主要表现为降低增益，可以从缝隙的面积损失来考虑缝隙对反射面增益的影响。

2)索网机电集成设计的另外一点是索网结构的力学分析。索网上的自有节点均需满足张立平衡条件方可保证索网结构的力学平衡，通过构建索网结构的力平衡方程可求得索网部分的张力值T_NUME×1。随着垂跨比的减小，边界索段的受力将变大，索网的张力分布越不均匀。

3)反射面上的缝隙大小主要由各模块索网的垂跨比决定，而由于构架式天线各模块的并行性，各模块的垂跨比应当相互独立，因此将每个模块索网垂跨比作为设计变量，记为：

Find ρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T (1)

其中ρ₁表示第1个模块的垂跨比值，NUMM表示模块总数。

索网的设计，需综合考虑到电性能及力学性能的好坏，电性能的主要评价指标是天线增益，而力学性能的好坏取决于索网最大最小张力比的大小，由于星载索网可展开天线在太空中会受到复杂的太空环境影响，主要表现为空间不断变化的热载荷作用，索网的张力分布均匀情况将直接影响天线索网的稳定性。在模型中，将增益最大化目标可等效为损失增益最小，另一优化目标是索网最大最小张力比最小，则优化目标为：

其中，f₁为理想反射面与实际反射面的增益损失，f₂为上索网、下索网及竖向索的最大张力与最小张力的比值算术平均。

由于两个目标值的量纲与量级均不相同，考虑对目标函数分别进行归一化处理，并通过采用加权系数法对每个目标函数乘以相应的权重，将多目标整合为单目标进行求解，因此优化最终目标函数为：

式中，α₁、α₂分别为两个目标函数对应的权重。

此问题中的约束条件有三个：一是索网中位于对称位置处的索网预张力相等，即线性等式约束条件；二是索网中索段的预张力值要在设计要求的范围内变化，此为线性不等式约束；三是设计变量值的上下限约束。因此约束条件的数学表述为：

S.T.g(ρ)＝AT＝0

其中，A为结构的拓扑矩阵，T及为索网张力的上下限值，ρ及为垂跨比的上下限值。

4)由于粒子群算法并不能直接求解有约束的优化问题，求解过程中需要将约束问题转化为无约束问题进行求解。将等式约束转化为不等式约束的形式：

h_i(ρ)＝|g_i(ρ)|-δ≤0,i＝1,...,NUMC (5)

其中，ε是一个允许公差(一个非常小的正值)，NUMC为索单元个数。当|g_i(ρ)|-δ≤0时，解ρ被认为是可行的。

张力约束可以写为：

h_i(ρ)＝-T_i(ρ)+T≤0,i＝1,…,NUMC (7)

构造适应度函数为：

其中，f_max是群体中最差可行个体的适应度值；

从而，构架式天线索网机电集成设计方法的优化数学模型为：

Findρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T

ρ_j∈[ρ_jl,ρ_ju],j＝1,…,NUMM

在本发明实施例中：

所述步骤1)中反射面增益的确定包括：

利用面电流法计算反射面天线远区辐射电场的计算公式为：

其中，k＝2π/λ为自由空间波数，λ为波长，η＝120π是自由空间波阻抗，r表示远场观察点到坐标中心的距离，为单位并矢，为单位并矢的并矢，Σ为反射面表面，σ为反射面在口径面上的投影，代表反射面上某点的位置矢量，且是关于N和ρ的函数，为该点的单位外法向矢量，为入射磁场矢量。

利用上式对反射面上每个面片进行积分计算得到各个单元的远区辐射电场后，在远场对所有面片进行叠加，得到整个天线的远区辐射电场。

反射面天线的方向系数为：

其中，表示馈源的辐射功率。

利用上式对反射面上每个面片进行积分计算得到各个单元的远区辐射电场后，在远场对所有面片进行叠加，得到整个天线的远区辐射电场。

将D₁代入天线的增益公式：

G＝D₁η (12)

即可分析缝隙对天线增益的影响。

所述步骤2)中索网结构的力学分析包括：

通过求解天线的静力平衡方程，来获得索段拉力分布，进而评估垂跨比对天线力学性能的影响。对于如图2所示的空间索网结构平衡构型上的某个节点i，其在x,y,z方向上的力平衡方程为：

其中，t_ij为索力，l_ij为索段单元ij的长度，x_i,y_i,z_i,x_j,y_j,z_j为节点坐标值，f_ix,f_iy,f_iz为节点i在x,y,z方向所受的外力。

将索网中的每一个非约束节点方程集成为矩阵形式，可得索网平衡方程如下：

A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}T_NUME×1＝0_{3(NUMC-NUMU)×1} (14)

式中，A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}为索网的平衡矩阵，T_NUME×1为索段的预拉力列向量，NUMC为索网节点总数，NUMU为索网约束节点总数，NUME为索段总数。

下面结合仿真实例对本发明的应用效果作详细的描述。

某构架式天线的光学口径为7.2m，上网面焦距为7.2195m，下网面焦距为14.439m，波长为150mm，天线频率为2GHz，模块层数分2层，模块索网分段数为4，天线上网面节点数为427，索段总数是2569，其中调整索数目为385。权重因子α₁＝0.6，α₂＝0.4。其有限元模型如图3。

采用本发明的方法进行考考虑缝隙影响的构架式天线索网机电集成设计时，目标函数迭代曲线如图4所示。从图中可以看出，随着优化迭代次数的增加，目标函数值不断减小。在20次迭代后目标函数值降为0.2356，增益损失由1.7923dB下降至0.9352dB，张力比由5.9555变为8.9757。表1列出了优化前后的各参数值。考虑到不同发射任务对天线的增益、力学性能要求会有不同，因而在天线的初始设计阶段，可对两种性能进行平衡。决策者可通过调整权重因子α₁及α₂的大小来指导增益及张力比的重要程度，可以对于PSO算法设置合适的参数，如种子数、c₁、c₂，或者增大终止次数来获取尽可能好的优化值。

表1优化前后参数对比

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。