專利名稱：65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，用于指導(dǎo)65m 口徑大型天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其機(jī)械性能和電性能全優(yōu)。
背景技術(shù)：
隨著雷達(dá)通信、深空探測和射電天文事業(yè)的發(fā)展，反射面天線正在向高頻段、大口徑的方向發(fā)展。大型反射面天線是典型的機(jī)電一體化裝備，其機(jī)械性能與電性能相互影響、相互制約。工程中，電氣工程師提出機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，而結(jié)構(gòu)工程師只能憑經(jīng)驗(yàn)分配各組成部件的設(shè)計(jì)精度。結(jié)果出現(xiàn)兩種情況，一是后者用盡了所有辦法、用上了最好的加工設(shè)備與手段，還是無法滿足要求；二是在實(shí)際生產(chǎn)中，制造精度高的并非總能滿足電性能指標(biāo)，而有些制造精度沒那么高的反倒可以滿足電性能指標(biāo)。結(jié)果導(dǎo)致天線制造成本高，研制周期長，其性能無法從根本上保證。由于大型反射面天線的設(shè)計(jì)、制造與測試費(fèi)用很高，因此要求其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)一次成型。但又因大型天線的口徑達(dá)幾十米，其重量多達(dá)幾百上千噸，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大難度；同時(shí)由于這種大型的天線結(jié)構(gòu)非常易受到外部環(huán)境作用而發(fā)生變形，使天線電性能受到影響。如結(jié)構(gòu)變形使得天線增益下降、副瓣電平升高等。當(dāng)高頻段的天線工作頻率達(dá)到Ka頻段時(shí)，天線結(jié)構(gòu)變形對天線電性能的影響將更為嚴(yán)重。由于現(xiàn)有的反射面天線設(shè)計(jì)技術(shù)中無法確定結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁參數(shù)之間的定量關(guān)系，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必然存在機(jī)電分離的問題。目前，國內(nèi)外解決天線機(jī)電分離設(shè)計(jì)問題最常用的方法有如下幾種(I)從綜合角度對天線進(jìn)行集成分析，用優(yōu)化建模的思想把各個(gè)機(jī)械、電磁等學(xué)科的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行統(tǒng)一考慮，這種方法考慮了機(jī)電綜合設(shè)計(jì)的好處。如劉京生等所采用的方法就是這種綜合優(yōu)化方法。但該方法沒有從根本上分析天線結(jié)構(gòu)變形是如何影響天線電性能的，即不能在滿足電性能指標(biāo)前提下給出降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度的方案。(2)利用天線反射面變形分布函數(shù)，得到各節(jié)點(diǎn)對天線遠(yuǎn)區(qū)電場的貢獻(xiàn)，從而分析不同變形情況下的天線電性能變化情況，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這種方法。該方法僅是假設(shè)反射面變形滿足一定的三角函數(shù)分布，但實(shí)際中結(jié)構(gòu)變形難以用某一具體函數(shù)給出。同時(shí)該方法的機(jī)電性能綜合分析是建立在結(jié)構(gòu)變形形狀假設(shè)的基礎(chǔ)上，不能反映天線結(jié)構(gòu)變形與天線電性能之間的真實(shí)影響關(guān)系。(3)采用實(shí)際工程中的天線變形曲面上的測量點(diǎn)，以及理論節(jié)點(diǎn)仿真分析變形后作為計(jì)算對象，分析天線變形對天線電性能的影響，如在《現(xiàn)代雷達(dá)》1994年第I期“天線變形曲面的一種擬合方法”(華慕麟)文獻(xiàn)中就采用這種方法。此方法工程應(yīng)用價(jià)值大，但關(guān)鍵是要有實(shí)際加工、裝配好的天線，且需在天線實(shí)物上進(jìn)行測量分析。一般天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在仿真設(shè)計(jì)階段需要知道當(dāng)前結(jié)構(gòu)下的天線電性能，并據(jù)此判斷是否需要更改或重新設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，而不能在天線結(jié)構(gòu)已確定、反射面已加工成形、裝配也已完成的情況下，再分析天線的機(jī)械性能和電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技 術(shù)方法的不足，針對某65米口徑大型反射面天線，提出一種天線結(jié)構(gòu)的機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，以降低設(shè)計(jì)成本、提高天線的機(jī)械和電磁綜合性能。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，基于65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)有限元分析，得到反射面變形后的節(jié)點(diǎn)位移，根據(jù)反射面節(jié)點(diǎn)的理論設(shè)計(jì)坐標(biāo)和變形后坐標(biāo)的空間位置關(guān)系，計(jì)算反射面節(jié)點(diǎn)位移導(dǎo)致的口徑場相位誤差，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場分布，繪制天線遠(yuǎn)區(qū)電場的方向圖，得到天線增益、副瓣電平和波束寬度，以天線結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和拓?fù)涞葏?shù)為設(shè)計(jì)變量，天線電性能參數(shù)最優(yōu)為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電集成設(shè)計(jì)。具體過程如下(I)根據(jù)65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)及形狀參數(shù)，確定天線結(jié)構(gòu)有限元模型，得到反射面三角形單元，及三角形單元節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)和
Pui (Χ ，3，少'-,3 , Zi,3 ) >(2)利用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行靜力分析,得到反射面變形后各三角形單元節(jié)點(diǎn)的位移、Δ^,2 2，，Kl )和M,3 , Δ> , Δ4 );(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析軟件所得到的65m 口徑大型反射面天線各三角形單元及其節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算各三角形單元質(zhì)心點(diǎn)的理論坐標(biāo)和位移AM (Axff, A}f,Azfi )·,(4)利用空間兩點(diǎn)距離計(jì)算公式，得到反射面變形后各三角形單元質(zhì)心節(jié)點(diǎn)M'(x^+Ax^vfi+AyfiyZfi+^' )的光程差ε i，并計(jì)算各三角形單元質(zhì)心節(jié)點(diǎn)位移在口徑面引起的相位誤差Si;(5)確定65m 口徑大型反射面天線口徑面場振幅分布Q(P ')，依據(jù)各三角形單元質(zhì)心節(jié)點(diǎn)位移在口徑面引起的相位誤差S i，通過天線遠(yuǎn)區(qū)電場分布函數(shù)，計(jì)算天線電性能參數(shù)；(6)以天線結(jié)構(gòu)中尺寸、形狀和拓?fù)鋮?shù)為設(shè)計(jì)變量，以天線電性能參數(shù)最優(yōu)為目標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過求解此模型得到機(jī)械性能和電性能全優(yōu)的65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)方案。所述步驟(3)按如下過程進(jìn)行(3a)設(shè)第η個(gè)三角形單元的三個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為匕(4，戍，‘)、P,,a 2，)<2，Zpna )和4 3，yPn,，<3 )，得到該三角形單元質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo) ，，zf )
權(quán)利要求
1.一種65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括如下過程 (1)根據(jù)65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)及形狀參數(shù)，確定天線結(jié)構(gòu)有限元模型，得到反射面三角形單元，及三角形單元節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)A和P!,3); (2)利用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行靜力分析，得到反射面變形后各三角形單元節(jié)點(diǎn)的位移、
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)按如下過程進(jìn)行 (3a)設(shè)第η個(gè)三角形單元的三個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為(<2，‘，<2)和4(d<3)，得到該三角形單元質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)，#，zf)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(4)按如下過程進(jìn)行 (4a)設(shè)饋源相位中心的坐標(biāo)為F(xf，yF, zF)，變形之前饋源到反射面第η個(gè)三角形單元質(zhì)心點(diǎn)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(5)按如下過程進(jìn)行 (5a)依據(jù)如下公式得到天線口徑場振幅分布Q(P )為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(5e)計(jì)算天線電性能參數(shù)依據(jù)天線遠(yuǎn)區(qū)電場分布，繪制天線遠(yuǎn)區(qū)電場方向圖，從天線遠(yuǎn)區(qū)電場方向圖中得到天線的增益G、副瓣電平SLL和波束寬度Θ。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(6)按如下過程進(jìn)行 (6a)建立如下65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成優(yōu)化模型計(jì)算最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)式中，A=(Ai), (i = 1,2,...,NA)為原始結(jié)構(gòu)背架單元橫截面積，Z=(Zi), α=1，2，···，ΝΖ)為背架結(jié)構(gòu)下弦節(jié)點(diǎn)縱向坐標(biāo)值，ma為俯仰齒輪上單位面積的配重，AGs為第s工況下的增益損失，a s為該工況的權(quán)值，W為總重量，W0為質(zhì)量上限，Zp為天線整體重心的位置，Ζ=為天線俯仰軸的設(shè)計(jì)高度，σ丨為第j個(gè)單元在第s工況下的vonMises應(yīng)力值，某工況下最大單元應(yīng)力值，NE為單元總數(shù)，NS為工況總數(shù)； (6b)采用序列二次規(guī)劃法(SQP-D0NLP)來對65m 口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成優(yōu)化模型進(jìn)行求解，并利用有限差分方法來計(jì)算優(yōu)化模型中目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的敏度，判斷計(jì)算出的天線電參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合格；否則，修改設(shè)計(jì)變量值，并重復(fù)步驟(I)至步驟(6)，直至得到滿足機(jī)械性能和電性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(I)中天線結(jié)構(gòu)包括中心體、背架以及反射面板尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的65m口徑大型反射面天線結(jié)構(gòu)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟⑴三角形單元節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)、<2(4，4，<2)和^^ ^^^^、步驟^彡反射面變形后各三角形單元節(jié)點(diǎn)的位移為^』^,^^，々^)、δα2(δ^，δ<2，δ4)和/^3(么<3,4<3,七；；)、步驟(3)各三角形單元質(zhì)心點(diǎn)的理論坐標(biāo)為財(cái)(<，#，3^)和位移—(^^3>，;^^)、步驟(4)反射面變形后各三角形單元質(zhì)心節(jié)點(diǎn)為+Axfjf+Δ#，#+Arf )中，i為大于I的自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種65米大型反射面天線的機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，主要解決大型天線設(shè)計(jì)中機(jī)電集成的問題。其步驟是基于天線結(jié)構(gòu)有限元分析，得到反射面變形后節(jié)點(diǎn)位移信息；根據(jù)節(jié)點(diǎn)理論設(shè)計(jì)坐標(biāo)和變形后坐標(biāo)空間位置關(guān)系，計(jì)算三角形單元質(zhì)心點(diǎn)的理論坐標(biāo)和位移；計(jì)算反射面三角形單元質(zhì)心點(diǎn)的光程差及其對應(yīng)口徑面上的相位誤差；將單元投影到口徑面上，計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)電場分布，得到電性能參數(shù)；以天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，天線電性能參數(shù)最優(yōu)為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型；采用序列二次規(guī)劃法求解優(yōu)化模型，得到最優(yōu)機(jī)械電磁綜合設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)反射面天線機(jī)電集成設(shè)計(jì)。本發(fā)明可用于指導(dǎo)大型反射面天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對不同工況下的天線機(jī)電綜合性能分析與評價(jià)。
文檔編號G06F17/50GK102968532SQ20121046640
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者王偉, 王從思, 胡乃崗, 冷國俊, 段寶巖, 黃進(jìn), 保宏, 曹鴻鈞, 宋立偉 申請人:西安電子科技大學(xué)