基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)?電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)方法，具體步驟包括：(1)輸入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)；(2)獲得星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)信息；(3)建立機(jī)電集成優(yōu)化模型；(4)結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度計(jì)算；(5)簡化并求解優(yōu)化模型；(6)結(jié)構(gòu)與電磁重分析；(7)判斷是否滿足賦形要求；(8)輸出星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度信息，考慮了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線電性能的影響，從結(jié)構(gòu)與電磁集成的角度完成星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)。
【專利說明】
基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè) 計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及雷達(dá)天線領(lǐng)域中的一種基于結(jié)構(gòu)-電磁集成 靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在衛(wèi)星通信中，為了提高能量的利用效率W及滿足特殊方向圖形狀要求，需要對 星載天線的福射方向圖進(jìn)行波束賦形。賦形天線是由饋源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)賦形反射面反射后 在遠(yuǎn)場產(chǎn)生與覆蓋區(qū)域相匹配的方向圖。由于星載天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，常會(huì)增 加嚴(yán)重的射頻損耗與系統(tǒng)重量，因此星載天線一般采用單饋源賦形反射面來實(shí)現(xiàn)要求的賦 形波束。同時(shí)，隨著網(wǎng)狀天線W其質(zhì)量輕、收猶體積小等優(yōu)點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于星載天線中，有 必要針對星載網(wǎng)狀天線進(jìn)行波束賦形設(shè)計(jì)。
[0003] 目前針對單饋源賦形反射面天線的研究工作主要集中在口徑場優(yōu)化法、反射面直 接展開法。對于實(shí)體面天線而言，運(yùn)些均是從天線電性能要求出發(fā)，可W設(shè)計(jì)出滿足波束賦 形要求的賦形反射面。然而，對于由前網(wǎng)面、后網(wǎng)面、豎向索、周邊巧架、金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成 的網(wǎng)狀天線而言，由于網(wǎng)狀天線反射面形狀受索網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響較大，單單從電磁場學(xué)科的角 度進(jìn)行波束賦形很難考慮網(wǎng)狀天線獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性。
[0004] B.Gonzalez-Valdes等人在文南犬('Generating contoured beams with single- sh曰ped reflectors using 曰 iterative field-matrix 曰ppro曰ch"（IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ,vol. 7 ,pp .697-700,2008.)中公開了一種基于場矩陣迭 代法的波束賦形方法。該方法將反射面劃分為一系列=角形單元，通過采用一階泰勒級數(shù) 展開，建立遠(yuǎn)區(qū)福射電場與節(jié)點(diǎn)變形量的線性方程組;采用奇異值分解法結(jié)合正則化方法 反求出變形量。該方法要求=角形尺寸較小，容易造成反射面不連續(xù)，且也沒有考慮到網(wǎng)狀 天線獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性。
[0005] 張樹新等人在中國專利"基于敏度信息的索網(wǎng)反射面天線型面賦形方法"中，公開 了一種基于敏度信息的索網(wǎng)反射面天線型面賦形方法。該方法W索網(wǎng)反射面天線節(jié)點(diǎn)軸向 坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，基于電性能對節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)的靈敏度信息，對索網(wǎng)反射面天線進(jìn)行賦形 設(shè)計(jì)。雖然該方法W靈敏度信息為基礎(chǔ)，但是該方法沒有考慮到網(wǎng)狀天線獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性， 僅僅設(shè)計(jì)了天線反射面形狀，沒有直接W網(wǎng)狀天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。因此，有必 要針對目前網(wǎng)狀天線波束賦形方法的不足，直接W結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行網(wǎng)狀天線 波束賦形設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度 信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)方法。該方法通過采用結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度信息，建立天 線電性能對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的直接關(guān)系，W此考慮到網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行波束賦形設(shè) 計(jì)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形 設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0008] (1)輸入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)
[0009] 輸入用戶提供的包含星載網(wǎng)狀天線口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離、索 單元橫截面積、楊氏彈性模量的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包含工作波長、饋源參數(shù)、賦形要求和賦形區(qū)域 方向系數(shù)最小值的電參數(shù)。
[0010] (2)獲得星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)信息
[0011] W星載網(wǎng)狀天線投影口徑中屯、為面片劃分的起點(diǎn)，對理想狀態(tài)下的星載網(wǎng)狀天線 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格劃分的結(jié)果作為賦形設(shè)計(jì)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得所述星載網(wǎng)狀天線 的結(jié)構(gòu)信息；
[0012] (3)建立機(jī)電集成優(yōu)化模型
[0013] 根據(jù)賦形要求的星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)信息，W星載網(wǎng)狀天線索段長度 為設(shè)計(jì)變量，W賦形要求為目標(biāo)函數(shù)，W賦形區(qū)域方向系數(shù)最小值與索拉力為約束函數(shù)，建 立網(wǎng)狀天線波束賦形的機(jī)電集成優(yōu)化模型：
[0014] find L=[Li，L2，...，Lm]T
[0015]
[0016]
[0017]
[001 引
[0019] 其中，L為星載網(wǎng)狀天線索段長度列向量，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，Lm為第m根索段 長度，m為索段總數(shù)，r為賦形要求的目標(biāo)函數(shù)，Nc表示賦形要求的遠(yuǎn)場觀察方向個(gè)數(shù)，Di為 第i個(gè)觀察點(diǎn)的方向系數(shù)，自為方向系數(shù)下限值，T為結(jié)構(gòu)參數(shù)中索張力列向量，I、f分別為 索張力列向量下限、上限值，1^、！分別為索段長度列向量下限、上限值；
[0020] (4)結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度計(jì)算
[0021] 針對此星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)，計(jì)算星載網(wǎng)狀天線電磁靈敏度與結(jié)構(gòu)靈 敏度，將第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)表示為索段長度的函數(shù)
[0022]
[0023] 其中，Di為第i個(gè)觀察點(diǎn)的方向系數(shù)，Di,0為理想狀態(tài)下的方向系數(shù)，A L為索段長 度列向量增量，Ki為經(jīng)過結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度計(jì)算后得到的第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長 度的導(dǎo)數(shù)列向量，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào);導(dǎo)數(shù)列向量Ki由結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度相乘獲得
[0024]
[0025] 其中，Kt為節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，Gi為第 i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量；
[0026] (5)簡化并求解優(yōu)化模型
[0027] 采用結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度信息將步驟(3)中的優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線性形式，轉(zhuǎn)化后的 機(jī)電集成優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為：
[0028] find AL=[ ALi, AL2，...，ALm]T
[0029] min r=2B^AAL+B^
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中，A功索段長度列向量增量，A Lm為第m根索段長度增量，m為索段總數(shù)，r為賦形 要求的目標(biāo)函數(shù)，B為方向系數(shù)下限約束轉(zhuǎn)換后得到的列向量
.. A為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成的對角陣
為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成的總靈敏度矩陣K=比1，K2,…，Knc]t，Kv為索 張力列向量對索段長度列向量的敏度矩陣，I；、f分別為索張力列向量下限、上限值，AU Al分別為索段長度列向量增量的下限、上限值；
[0035] 對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，設(shè)A 為第i次迭代求解得到的索段長度列向量增量，那 么索段長度更新為
[0036] L(W) = L(I)+A L(I)
[0037] 其中，為第i次迭代時(shí)的索段長度列向量，為下一次，即第i + 1次的索段長 度列向量；
[0038] (6)結(jié)構(gòu)與電磁重分析
[0039] 將更新后的索段長度列向量代入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)中，對此時(shí)的星載網(wǎng)狀天線結(jié) 構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電磁重分析，獲得星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)性能與電性能；
[0040] (7)判斷是否滿足賦形要求
[0041] 判斷星載網(wǎng)狀天線電性能是否滿足波束賦形要求，滿足要求則轉(zhuǎn)至步驟(8)，不滿 足要求，則轉(zhuǎn)至步驟(4);
[0042] (8)輸出星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
[0043] 輸出優(yōu)化后得到的星載網(wǎng)狀天線索段長度數(shù)據(jù)。
[0044] 步驟(4)中結(jié)構(gòu)靈敏度計(jì)算按照下式獲得節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣
[0045]
[0046] 其中，Kt為節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣，巧、起分別為索網(wǎng)力平衡方 程中的分塊矩陣，且
[0047]
[004引
[0049]其中，2表示標(biāo)準(zhǔn)的有限元組集運(yùn)算，Kck為單元軸向剛度矩陣，Ksk為索幾何剛度
[(K)加 ] 矩陣，單元軸向剛度矩陣Kck和索幾何剛度矩陣Ksk由下式得到
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0055] 其中，E為索單元楊氏彈性模量，A為索橫截面積，L為索單元長度，Lo為索單元初始 放樣長度，rp、。分別為索單元兩個(gè)節(jié)點(diǎn)p、q在全局坐標(biāo)系下的位置矢量，13為3X3階單位矩 陣。
[0056] 步驟(4)中電磁靈敏度計(jì)算是按照W下步驟獲得方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏 度信息
[0057] 8a)通過下式計(jì)算單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息：
[0化引
[0化9]其中，石表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，1表示網(wǎng)格劃分后得 到的索在口徑面上的投影長度；
[0060] 8b)按照下式計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)電場對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 其中，^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)上遠(yuǎn)區(qū)電場對第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，Ei 表示第i個(gè)觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)電場，Zu表示第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，0表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，j表示虛數(shù) 單位，k表示自由空間波數(shù)，Tl表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運(yùn)算，R表示遠(yuǎn) 場觀察點(diǎn)位置矢量幅度，n表示圓周率，F(xiàn)表示單位并矢，扇表示單位矢量i的并矢，巧、f: 表示中間計(jì)算量，Ot表示與節(jié)點(diǎn)相連的第t個(gè)投影正=角形，下標(biāo)t表示投影正=角形編號(hào)； 在表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的敏度信息值，/)護(hù))表示反射面位置矢量?處的入射 磁場，F(xiàn)表示反射面位置矢量，i表示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)的單位矢量;勞表示單元法向矢量，Q表示 殼單元上的形函數(shù)，0S表示位置矢量F在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)S表示饋源坐標(biāo)系，0 表示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)俯仰角；
[0065] 8c)按照下式計(jì)算方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：
[0066]
[0067] 其中，^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，Di表示第i 巧， 個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)，Zu表示第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，0表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，表示圓周率，R表示 遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)位置矢量幅度，n表示自由空間波阻抗，P代表饋源總福射功率，Ei表示第i個(gè)觀 察點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)電場，怎表示第i個(gè)觀察點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)電場的共輛值，上標(biāo)*代表共輛運(yùn)算；
[0068] 8d)按照下式構(gòu)成方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量
[0069]
[0070] 其中，G功第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量，Zu為第U個(gè)節(jié)點(diǎn) Z方向的坐標(biāo)，^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對第U個(gè)節(jié)點(diǎn)Z方向位移的靈敏度，U表示節(jié)點(diǎn) 妃'' 總數(shù)，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
[0071 ]步驟(1)所述的饋源參數(shù)包括:饋源類型、饋源方向圖函數(shù)、饋源總福射功率;步驟 (1)所述的賦形要求包括:波束覆蓋區(qū)域、覆蓋區(qū)域方向系數(shù)均值、覆蓋區(qū)域方向系數(shù)均方 根值W及交叉極化電平。
[0072] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明首先輸入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)，獲得網(wǎng)狀 天線結(jié)構(gòu)信息，并建立機(jī)電集成優(yōu)化模型，其次根據(jù)網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu) 與電磁靈敏度，簡化并求解優(yōu)化模型，更新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電磁重分析;最后判 斷結(jié)果是否滿足賦形要求，如果不滿足要求，則重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度分析，獲得電性 能對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度，如果滿足要求，則輸出天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。與現(xiàn)有技術(shù)相比， 本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0073] 1.本發(fā)明直接W網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)中的索段長度為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行波束賦形設(shè)計(jì)， 從結(jié)構(gòu)與電磁交叉點(diǎn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了直接面向結(jié)構(gòu)參數(shù)的波束賦形設(shè)計(jì)；
[0074] 2.本發(fā)明通過采用結(jié)構(gòu)與電磁集成靈敏度分析，獲得了電性能對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的 靈敏度信息，考慮了結(jié)構(gòu)特性對網(wǎng)狀天線電性能的影響，進(jìn)而考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)對賦形方向 圖的影響。
[0075] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0076] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0077] 圖2為網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0078] 圖3為網(wǎng)狀天線網(wǎng)格劃分后投影示意圖；
[0079] 圖4為初始狀態(tài)下網(wǎng)狀天線前網(wǎng)面?zhèn)纫晥D；
[0080] 圖5為賦形后得到的網(wǎng)狀天線前網(wǎng)面?zhèn)纫晥D；
[0081] 圖6為賦形后得到的方向系數(shù)等值線方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0082 ]下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
[0083] 步驟1，輸入用戶提供的包含星載網(wǎng)狀天線口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距 離、索單元橫截面積、楊氏彈性模量的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包含工作波長、賦形區(qū)域方向系數(shù)最小值、 饋源參數(shù)、賦形要求的電參數(shù)，其中饋源參數(shù)包括饋源類型、饋源方向圖函數(shù)、饋源福射總 功率，賦形要求包括波束覆蓋區(qū)域、覆蓋區(qū)域方向系數(shù)均值、覆蓋區(qū)域方向系數(shù)均方根值W 及交叉極化電平；
[0084] 步驟2, W網(wǎng)狀天線投影口徑中屯、為面片劃分的起點(diǎn)，對理想狀態(tài)下的網(wǎng)狀天線進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格劃分的結(jié)果作為賦形設(shè)計(jì)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得此網(wǎng)狀天線的結(jié)構(gòu)信 息；
[0085] 步驟3,根據(jù)賦形要求的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)信息，W網(wǎng)狀天線索段長度為設(shè)計(jì) 變量，W賦形要求為目標(biāo)函數(shù)，W覆蓋區(qū)域方向系數(shù)下限要求與結(jié)構(gòu)參數(shù)為約束函數(shù)，建立 網(wǎng)狀天線波束賦形的機(jī)電集成優(yōu)化模型：
[0086] find L=[Li，L2，...，Lm]T
[0087]
[008引
[0089]
[0090]
[0091] 其中，L為網(wǎng)狀天線索段長度列向量，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，Lm為第m根索段長度， m為索段總數(shù)，r為賦形要求的目標(biāo)函數(shù)，化表示賦形要求的遠(yuǎn)場觀察方向個(gè)數(shù)，Di為第i個(gè) 觀察點(diǎn)的方向系數(shù)，馬為方向系數(shù)下限值，T為結(jié)構(gòu)參數(shù)中索張力列向量，:[、f分別為索張力 列向量下限、上限值，1^、玄分別為索段長度列向量下限、上限值；
[0092] 步驟4,針對此網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)，計(jì)算天線電磁靈敏度與結(jié)構(gòu)靈敏度；
[0093] 4a)按照下式獲得節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣
[0094]

[00M]其中，Kt為節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣，與\ J：]分別為索網(wǎng)力平衡方 程中的分塊巧隨，曰
[0096]
[0097]
[009引其中，5：表示標(biāo)準(zhǔn)的有限元組集運(yùn)算，Kck為單元軸向剛度矩陣，Ksk為索幾何剛度 矩陣，單元軸向剛度矩陣Kck和索幾何剛度矩陣Ksk由下式得到
[0099]
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] 其中，E為索單元楊氏彈性模量，A為索橫截面積，L為索單元長度，Lo為索單元初始 放樣長度，rp、rq分別為索單元兩個(gè)節(jié)點(diǎn)p、q在全局坐標(biāo)系下的位置矢量，13為3X3階單位矩 陣。
[0105] 4b)通過下式計(jì)算單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息：
[0106]
[0107] 其中，I表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，1表示網(wǎng)格劃分后得 到的索在口徑面上的投影長度；
[0108] 4c)按照下式計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)電場對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 其中，^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)上遠(yuǎn)區(qū)電場對第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向位移的敏度信息值，Ei表 示第i個(gè)觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)電場，Zu表示第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，S表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，j表示虛數(shù)單 位，k表示自由空間波數(shù)，Tl表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運(yùn)算，R表示遠(yuǎn)場 觀察點(diǎn)位置矢量幅度，n表示圓周率，J表示單位并矢，灰度表示單位矢量襲的并矢，、焉表 示中間計(jì)算量，Ot表示與節(jié)點(diǎn)相連的第t個(gè)投影正S角形，下標(biāo)t表示投影正S角形編號(hào)；.易 表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的敏度信息值，/7(F)表示反射面位置矢量F處的入射磁 場，P表示反射面位置矢量，矣表示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)的單位矢量;巧表示單元法向矢量，Q表示殼 單元上的形函數(shù)，0S表示位置矢量F在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)S表示饋源坐標(biāo)系，0表 示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)俯仰角；
[0113] 4d)按照下式計(jì)算方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：
[0114]
[0115] 其中，^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，Di表示第i 妃:, 個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)，Zu表示第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，S表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，表示圓周率，R表示 遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)位置矢量幅度，n表示自由空間波阻抗，P代表饋源總福射功率，Ei表示第i個(gè)觀 察點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)電場，表示第i個(gè)觀察點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)電場的共輛值，上標(biāo)*代表共輛運(yùn)算；
[0116] 4e)按照下式構(gòu)成方向系敬對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量
[0117]
[0118] 其中，Gi為第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量，Zu為第U個(gè)節(jié)點(diǎn) z方向的坐標(biāo)，^^^表示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對第u個(gè)節(jié)點(diǎn)z方向位移的靈敏度，U表示節(jié)點(diǎn) 巧， 總數(shù)，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
[0119] 步驟5,采用結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度信息將步驟3中的優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線性形式，轉(zhuǎn)化 后的機(jī)電集成優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為：
[0120] find AL=[ ALi, AL2，...，ALm]T [01 別]min T=2BTaaL+bTb
[0122]
[0123]
[0124]
[0125]
[0126] 其中，A L為索段長度列向量增量，A Lm為第m根索段長度增量，m為索段總數(shù)，r為 賦形要求的目標(biāo)函數(shù)，B為方向系數(shù)下限約束轉(zhuǎn)換后得到的列向量
，A為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成 K為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成 的總靈敏度矩陣K=[Ki，K2,…，Knc]t，Kv為索張力列向量對索段長度列向量的敏度矩陣，；[、 T分別為索張力列向量下限、上限值，A心、近分別為索段長度列向量增量的下限、上限值；
[0127] 對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，設(shè)A 為第i次迭代求解得到的索段長度列向量增量，那 么索段長度更新為
[012引 L(W) = L(I)+A L(I)
[0129] 其中，為第i次迭代時(shí)的索段長度列向量，為下一次(第i+1次)的索段長度 列向量；
[0130] 步驟6,將更新后的索段列向量代入天線結(jié)構(gòu)中，對此時(shí)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電 磁重分析，獲得天線結(jié)構(gòu)性能與電性能；
[0131] 步驟7,判斷天線電性能是否滿足波束賦形要求，滿足要求則轉(zhuǎn)至步驟8,不滿足要 求，則轉(zhuǎn)至步驟4;
[0132] 步驟8,輸出優(yōu)化后得到的網(wǎng)狀天線索段長度數(shù)據(jù)。
[0133] 綜上所述，本發(fā)明首先輸入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)，獲得網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu) 信息，并建立機(jī)電集成優(yōu)化模型，其次根據(jù)網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)與電磁靈 敏度，簡化并求解優(yōu)化模型，更新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電磁重分析;最后判斷結(jié)果是 否滿足賦形要求，如果不滿足要求，則重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度分析，獲得電性能對結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度，如果滿足要求，則輸出天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具 有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0134] 1.本發(fā)明直接W網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)中的索段長度為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行波束賦形設(shè)計(jì)， 從結(jié)構(gòu)與電磁交叉點(diǎn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了直接面向結(jié)構(gòu)參數(shù)的波束賦形設(shè)計(jì)；
[0135] 2.本發(fā)明通過采用結(jié)構(gòu)與電磁集成靈敏度分析，獲得了電性能對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的 靈敏度信息，考慮了結(jié)構(gòu)特性對網(wǎng)狀天線電性能的影響，進(jìn)而考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)對賦形方向 圖的影響。
[0136] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過W下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明：
[0137] 1.仿真條件：
[013引網(wǎng)狀天線最大投影口徑3m、焦距2.5m，偏置高度1.55m，前后網(wǎng)面最小間距2/15m， 如圖2所示。工作頻率3G化，饋源采用Cosine-Q類型饋源，饋源參數(shù)為Qx=Qy = 11.25，饋源傾 斜角32.68度。網(wǎng)狀反射面前網(wǎng)面在口徑面內(nèi)沿半徑方向等分6段，如圖3所示，其中虛線代 表周邊巧架，實(shí)線代表索網(wǎng)。索的楊氏彈性模量為E = 20GPa，索橫截面積為A = 3.14mm2。賦 形目標(biāo)選擇為傳統(tǒng)的美國本±，要求覆蓋的區(qū)域滿足盡量均勻的28地i的方向系數(shù)，其中選 擇73個(gè)遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算。
[0139] 2.仿真結(jié)果：
[0140] 采用本發(fā)明的方法進(jìn)行網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)，其中賦形前處于理想位置的網(wǎng)狀 天線前網(wǎng)面?zhèn)纫晥D如圖4所示，賦形后的網(wǎng)狀天線前網(wǎng)面?zhèn)纫晥D如圖5所示。賦形后的方向 系數(shù)等值線圖如圖6所示，其中實(shí)點(diǎn)表示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)，可W看出賦形后的方向系數(shù)等值線圖 除一點(diǎn)外均滿足了 28地i的賦形要求，不滿足的那個(gè)觀察點(diǎn)的方向系數(shù)為27.93地i。遠(yuǎn)場觀 察點(diǎn)方向系數(shù)的最大值、最小值、均值見表1。賦形后網(wǎng)狀天線前網(wǎng)面節(jié)點(diǎn)相對理想位置的 最大、最小位移如表2所示，其中A = 0.1 m為工作波長，可W看出X、y方向上的節(jié)點(diǎn)位移較小， Z向巧由向）位移在(-0.442A~0.333A)范圍之內(nèi)。
[0141 ]表1賦形后網(wǎng)狀天線方向系數(shù)最大值、最小值與均值表(單位:地i)
[0142]
[0145」本實(shí)施萬巧中巧有巧細(xì)殿還的部分屬本行業(yè)的公知的帯用手段，恩里小--殿 述。W上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本 發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包 括如下步驟： (1) 輸入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù) 輸入用戶提供的包含星載網(wǎng)狀天線口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離、索單元 橫截面積、楊氏彈性模量的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包含工作波長、饋源參數(shù)、賦形要求和賦形區(qū)域方向 系數(shù)最小值的電參數(shù)； (2) 獲得星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)信息 以星載網(wǎng)狀天線投影口徑中心為面片劃分的起點(diǎn)，對理想狀態(tài)下的星載網(wǎng)狀天線進(jìn)行 網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格劃分的結(jié)果作為賦形設(shè)計(jì)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得所述星載網(wǎng)狀天線的結(jié) 構(gòu)ig息； (3) 建立機(jī)電集成優(yōu)化模型 根據(jù)賦形要求的星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)信息，以星載網(wǎng)狀天線索段長度為設(shè) 計(jì)變量，以賦形要求為目標(biāo)函數(shù)，以賦形區(qū)域方向系數(shù)最小值與索拉力為約束函數(shù)，建立網(wǎng) 狀天線波束賦形的機(jī)電集成優(yōu)化模型：其中，L為星載網(wǎng)狀天線索段長度列向量，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，Lm為第m根索段長度，m 為索段總數(shù)，F(xiàn)為賦形要求的目標(biāo)函數(shù)，Nc表示賦形要求的遠(yuǎn)場觀察方向個(gè)數(shù),D1為第i個(gè) 觀察點(diǎn)的方向系數(shù)，^為方向系數(shù)下限值，T為結(jié)構(gòu)參數(shù)中索張力列向量，]；、f分別為索張力 列向量下限、上限值分別為索段長度列向量下限、上限值； (4) 結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度計(jì)算 針對此星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與電參數(shù)，計(jì)算星載網(wǎng)狀天線電磁靈敏度與結(jié)構(gòu)靈敏 度，將第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)表示為索段長度的函數(shù)其中，Di為第i個(gè)觀察點(diǎn)的方向系數(shù)，Di,ο為理想狀態(tài)下的方向系數(shù)，AL為索段長度列向 量增量,K1為經(jīng)過結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度計(jì)算后得到的第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度的導(dǎo) 數(shù)列向量，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào);導(dǎo)數(shù)列向量1由結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度相乘獲得其中，Kt為節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，Gi為第i個(gè) 觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量； (5) 簡化并求解優(yōu)化模型 采用結(jié)構(gòu)與電磁靈敏度信息將步驟(3)中的優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線性形式，轉(zhuǎn)化后的機(jī)電 集成優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為：其中，A L為索段長度列向量增量，ALm為第m根索段長度增量，m為索段總數(shù)，Γ為賦形要求的 目標(biāo)函數(shù)，B為方向系數(shù)下限約束轉(zhuǎn)換后得到的列向量A為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成的對角陣為觀察點(diǎn)方向系數(shù)對索段長度導(dǎo)數(shù)列向量組成的總靈敏度矩陣K= [K^K2，…，KNc]T，Kv為索 張力列向量對索段長度列向量的敏度矩陣，I、歹分別為索張力列向量下限、上限值，△ PAf 分別為索段長度列向量增量的下限、上限值； 對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，設(shè)A L(1)為第i次迭代求解得到的索段長度列向量增量，那么索 段長度更新為 L(i+1) = L⑴+AL⑴ 其中，L(1)為第i次迭代時(shí)的索段長度列向量，L(1+1)為下一次，即第i + Ι次的索段長度列 向量； (6) 結(jié)構(gòu)與電磁重分析 將更新后的索段長度列向量代入星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)中，對此時(shí)的星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)進(jìn) 行結(jié)構(gòu)與電磁重分析，獲得星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)性能與電性能； (7) 判斷是否滿足賦形要求 判斷星載網(wǎng)狀天線電性能是否滿足波束賦形要求，滿足要求則轉(zhuǎn)至步驟(8)，不滿足要 求，則轉(zhuǎn)至步驟(4); (8) 輸出星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 輸出優(yōu)化后得到的星載網(wǎng)狀天線索段長度數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè) 計(jì)方法，其特征在于，步驟(4)中結(jié)構(gòu)靈敏度計(jì)算按照下式獲得節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu) 靈敏度矩陣其中，Kt為節(jié)點(diǎn)位移對索段長度的結(jié)構(gòu)靈敏度矩陣，I]1、《：丨分別為索網(wǎng)力平衡方程中 的分塊矩陣，且其中，Σ表示標(biāo)準(zhǔn)的有限元組集運(yùn)算，Kck為單元軸向剛度矩陣，Ksk為索幾何剛度矩陣， 單元軸向剛度矩陣Kdi和索幾何剛度矩陣Ksk由下式得到其中，E為索單元楊氏彈性模量，A為索橫截面積，L為索單元長度，Lo為索單元初始放樣 長度，rP、rj別為索單元兩個(gè)節(jié)點(diǎn)p、q在全局坐標(biāo)系下的位置矢量，I3為3X3階單位矩陣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè) 計(jì)方法，其特征在于，步驟(4)中電磁靈敏度計(jì)算是按照以下步驟獲得方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移 的電磁靈敏度信息 8a)通過下式計(jì)算單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息：其中，.《表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，1表示網(wǎng)格劃分后得到的 索在口徑面上的投影長度； 8b)按照下式計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)電場對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：?！? 其中，表示第i個(gè)觀察點(diǎn)上遠(yuǎn)區(qū)電場對第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，E1表示 第i個(gè)觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)電場，Zu表示第U個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，谷表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，j表示虛數(shù)單 位，k表示自由空間波數(shù)，Tl表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運(yùn)算，R表示遠(yuǎn)場 觀察點(diǎn)位置矢量幅度，π表示圓周率，?表示單位并矢，M表示單位矢量及的并矢，、右表 示中間計(jì)算量，表示與節(jié)點(diǎn)相連的第t個(gè)投影正三角形，下標(biāo)t表示投影正三角形編號(hào)；I 表示單元法向矢量對節(jié)點(diǎn)軸向位移的敏度信息值，// (7)表示反射面位置矢量？處的入射磁 場，表示反射面位置矢量，J!表示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)的單位矢量；及表示單元法向矢量，Q表示殼 單元上的形函數(shù)，0 S表示位置矢量/在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)S表示饋源坐標(biāo)系，Θ表 示遠(yuǎn)場觀察點(diǎn)俯仰角； 8c)按照下式計(jì)算方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值：其中g(shù)示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)軸向位移的靈敏度信息值，D1表示第i個(gè)觀 察點(diǎn)方向系數(shù)，Zu表示第u個(gè)節(jié)點(diǎn)軸向坐標(biāo)，0表示求偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，JT表示圓周率，R表示遠(yuǎn)場 觀察點(diǎn)位置矢量幅度，η表示自由空間波阻抗，P代表饋源總輻射功率,E1表示第i個(gè)觀察點(diǎn) 的遠(yuǎn)區(qū)電場，表示第i個(gè)觀察點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)電場的共輒值，上標(biāo)*代表共輒運(yùn)算； S H)桉眧下忒抝成方向系教對書占份移的電磁靈敏度列向量其中，Gi為第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對節(jié)點(diǎn)位移的電磁靈敏度列向量，Zu為第u個(gè)節(jié)點(diǎn)z方 向的坐標(biāo)，表示第i個(gè)觀察點(diǎn)方向系數(shù)對第u個(gè)節(jié)點(diǎn)z方向位移的靈敏度，U表示節(jié)點(diǎn)總 dzU 數(shù)，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)-電磁集成靈敏度信息的星載網(wǎng)狀天線波束賦形設(shè) 計(jì)方法，其特征在于:步驟（1)所述的饋源參數(shù)包括:饋源類型、饋源方向圖函數(shù)、饋源總輻 射功率;步驟(1)所述的賦形要求包括:波束覆蓋區(qū)域、覆蓋區(qū)域方向系數(shù)均值、覆蓋區(qū)域方 向系數(shù)均方根值以及交叉極化電平。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021743SQ201610349775
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】張樹新, 杜敬利, 段寶巖, 楊東武, 張逸群, 李申, 楊癸庚
【申請人】西安電子科技大學(xué)