CN102073754B - 基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法，用于解决现有分析方法无法分析非理想模型，无法在分析过程中施加制造误差、随机误差、系统误差的问题。其具体过程是：将制造误差融入到结构参数之中，进行几何造型；施加环境载荷，控制系统误差，完成结构分析，得到变形结构模型；通过模型转换，将变形结构模型转化为电磁分析模型；进行电磁分析，可得到反射面天线的电性能。通过本方法的系统分析流程，最终实现反射面天线的机电综合分析。本方法将反射面天线的制造误差、系统误差、随机误差引入到天线分析过程中，显著提高天线的分析精度和效率，可用于微波频段反射面天线、平板裂缝阵天线、滤波器的分析与设计工作。

Description

基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及反射面天线机电综合分析方法，用于提高反射面天线的分析精度与效率。

背景技术

反射面天线是典型的机电综合电子装备产品，随着其向高频段、高增益、高可靠性及轻量化的方向发展，其结构位移场与电磁场之间的相互作用与相互影响越来越明显，由于两场相互关系不清而导致天线的电性能提高受到很大制约。因此，深入研究两场之间的相互关系，实现反射面天线的机电综合分析十分必要。在应用现有专业软件的传统分析方法中，适用的模型仅为理想状态的天线结构。而实际工程中天线结构的变形、不一致性等结构因素难以在软件中建模、求解；实际天线结构在加工、安装过程中的制造精度、装配精度等难以在现有软件中精确描述，或难以解决由此产生的大规模数值计算问题；实际的天线结构在真实工作环境中的动态因素，如风荷、振动、冲击下的结构动态响应，无法在软件中表现；基于结构分析的有限元模型，与为电磁场分析所建立的电磁模型具有很大区别，不能直接进行相互应用。这些因素都使得反射面天线机电综合分析变得非常重要。

结构分析和电磁分析的单独进行，不仅会导致分析工作的重复，计算资源的浪费，而且也难以实现系统层面的优化。而在结构和电磁的顺序分析过程中，又存在网格不匹配的问题。结构分析的网格往往不均匀，而电磁分析又需要均匀的网格。现有电磁分析软件HFSS虽然具有网格自适应的功能，能够对导入模型进行自动网格划分，但是仍然疏密不均。对一般电尺寸的对象而言问题尚不突出，对电大尺寸模型则往往因为网格太多而无法计算。因此如何实现结构网格与电磁网格的转换，如何满足电磁模型的基本计算要求尤为重要。现有的反射面天线机电综合分析方法均采用物理建模方式，对于复杂天线结构建模耗时较长。图2为传统分析方法中考虑部分结构参数的天线分析子流程图，由图2可见，这些现有的反射面天线机电综合分析方法中，部分考虑了天线面板的变形，部分考虑到随机风荷影响下的反射面天线集成稳健设计，还有考虑由热载荷产生的热变形对反射面天线电性能影响的研究。但是这些分析方法均未同时考虑天线实际加工中必然存在的制造误差，由安装和调试精度决定的随机误差以及外载荷作用下产生的系统误差，致使这些分析方法仅适用于理想模型的分析，而其分析的精度和效率也受到制约，难以提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法，以实现对非理想天线模型的有效分析，提高其分析精度和分析效率。

实现本发明目的的技术方案是，在对天线进行几何结构造型时，加入制造误差，通过改变天线的描述精度控制制造误差；在对天线进行有限元结构分析时，施加合理的环境载荷，通过控制载荷来控制系统误差；进行结构分析，得到变形结构模型，通过自编的模型修改模块，在变形结构模型中施加随机误差；通过自编的模型转换模块，将变形结构模型转换为电磁分析模型，最终进行电磁计算，得到天线的电性能。具体步骤如下：

(1)根据天线加工的实际情况，确定天线制造误差的量值，按如下步骤将其融入到天线的结构参数中，对天线进行几何造型：

(1a)根据天线的具体形式以及电性能指标要求，提取天线的主要结构参数；

(1b)将结构参数按照相应的格式，写成可编辑的文件格式；

(1c)利用现有的三维造型软件，读取天线结构参数的文本文件，得到天线的三维模型；

(1d)根据天线加工的实际情况，确定天线模型的描述精度，通过改变描述精度来仿真天线制造精度的改变；如制造误差只在局部存在，通过输入位置坐标，确定制造误差施加的范围。

(2)针对天线的几何造型，建立天线的结构模型；

(3)根据天线的实际工作情况，确定环境载荷的量值，将环境载荷的量值施加到天线结构模型中，得到确定系统误差的天线变形结构网格：

(4)根据天线变形结构网格，构建天线的变形结构模型；

(5)根据天线的实际工作环境，确定随机误差的量值，并将随机误差的量值施加到天线的变形结构模型中：

(6)将天线的变形结构模型转换为天线电磁分析模型：

(6a)由天线的结构分析模型中的体单元提取出天线的表面单元；

(6b)对天线的表面单元进行修正，得到合理的表面模型；

(6c)对天线的表面模型网格进行重新划分，构建电磁分析网格；

(6d)根据电磁分析网格，构建天线电磁分析模型；

(7)根据天线电磁分析模型，应用电磁分析软件HFSS11.0，计算天线的电性能参数，如果满足天线电性能计算精度要求，完成计算，反之，重复步骤(1)至步骤(6)，直到满足要求为止。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明由于采用参数化建模的方法，可以通过参数化、可编辑的文件格式，快速建立相关对象的三维模型，在保证分析精度的同时，建模效率得到数十倍的提高。

2)本发明通过对分析对象施加制造误差，使得非理想模型能够进行分析，扩大了反射面天线分析的范围。

3)本发明根据实际工作环境对分析对象的环境载荷进行控制，使得天线结构分析精度大幅度提高。

4)本发明由于将变形结构模型直接转换为电磁分析模型，将结构分析与电磁分析组合成有机的整体，可以有效解决天线分析过程中，结构分析与电磁分析脱节的问题，显著提高天线分析计算的精度与效率。

仿真结果表明：本发明不仅可有效解决天线结构分析与电磁分析之间的脱节，以及制造误差、随机误差、系统误差在分析过程中不能引入，以致非理想模型不能分析的问题，而且能够显著提高天线分析计算的精度与效率。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是传统分析方法中考虑部分结构参数的天线分析子流程图；

图3是本发明进行天线结构模型到电磁分析模型转换的子流程图；

图4是本发明对天线结构模型的表面模型网格进行细化的子流程图；

图5是本发明仿真采用的60米口径可展开天线的几何模型图；

图6是本发明构建的天线结构模型在无重力载荷作用下的变形云图；

图7是本发明构建的天线结构模型在全重力载荷作用下的变形云图；

图8是本发明构建的天线结构模型在1/10重力载荷作用下的变形云图；

图9是本发明构建的天线变形结构模型的结构网格图；

图10是本发明构建的天线变形结构模型的电磁分析网格图；

图11是对本发明构建的天线电磁分析模型在无重力载荷作用下进行仿真得到的远场方向图；

图12是对本发明构建的天线电磁分析模型在1/10重力载荷作用下进行仿真得到的远场方向图；

图13是对本发明构建的天线电磁分析模型施加10％随机误差之后进行仿真得到的远场方向图；

图14是对本发明构建的天线电磁分析模型施加5％随机误差之后进行仿真得到的远场方向图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤一，反射面天线的参数化建模。

(1a)将60米口径反射面天线的口径、环、肋等分数、焦径比、以及环杆，肋杆，支柱，充气环和网面索的相关参数作为其理论设计结构参数；

(1b)根据天线的制造工艺确定天线的描述精度，通过改变天线的描述精度来仿真天线制造误差的改变，当天线的制造误差只在局部存在时，通过输入描述精度的位置坐标，确定制造误差施加的范围；

(1c)用包含制造误差的结构参数替代理论设计的结构参数，并保存成可编辑的txt格式文件，再使用现有的三维造型软件读入该txt格式文件，自动生成如图5所示的VRML格式的反射面天线几何模型。

步骤二，根据反射面天线的几何模型，建立其结构模型。

应用ANSYS11.0软件对反射面天线的几何模型进行结构有限元分析，选择SOLID45单元作为天线的结构单元类型，并设置天线的材料属性和约束条件，构建反射面天线的结构模型。

步骤三，对反射面天线的结构模型施加重力载荷，得到天线的变形结构模型。

(3a)根据该反射面天线的实际工作情况，考虑其在重力及太空微重力载荷作用下的变形情况，首先对天线的结构模型进行网格划分，将得到天线的理想网格，再对天线的结构模型施加重力载荷，得到天线的变形结构网格如图9所示，相应的天线变形云图如图6、7、8所示，其中图6为反射面天线结构模型在无重力载荷作用下的变形云图，图7为反射面天线结构模型在全重力载荷作用下的变形云图，图8为反射面天线结构模型在太空微重力1/10重力载荷作用下的变形云图；

(3b)应用电磁分析软件HFSS11.0，分别导入反射面天线结构模型的理想结构网格、变形结构网格，并设置边界条件、材料属性，施加激励，计算其电性能，再对两种不同网格结构的电性能计算结果进行比较；

(3c)如果比较结果满足预设的变形要求，则确定该载荷的量值与施加位置，反之，则改变载荷的量值与施加位置，重复(3a)和(3b)工作，直至满足预设的变形要求；

(3d)根据(3c)确定的载荷的量值与施加位置，对天线结构模型施加载荷，得到天线的变形结构模型。

步骤四，对天线的变形结构模型施加随机误差。

(4a)根据天线的实际工作环境，对天线的安装精度进行测试，并对测试数据进行统计分析，以测试数据的算数均方根值作为随机误差的量值；

(4b)将随机误差的量值转换为符合正态分布的随机数，以随机误差的量值作为正态分布随机数的方差；再将该随机数加到天线变形结构模型的节点坐标上；

(4c)根据施加过随机误差的节点坐标，得到新的节点坐标，由三个节点坐标合成一个面单元，由六个面单元合成一个体单元，并将所有体单元集成，构建新的天线变形结构模型。

步骤五，将反射面天线的变形结构模型转换为电磁分析模型。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(5a)应用结构分析软件ANSYS11.0，从天线的变形结构模型中提取出天线结构模型的体单元；

(5b)从每一个体单元的六个面单元中提取位于天线表面的面单元，并舍弃其他面单元，再将提取出来的所有面单元集成，得到天线的表面单元；

(5c)判断每两个面单元是否重合，如果重合，则取其中一个面单元，反之，则全部保留，并将保留的所有面单元进行集成，构建新的天线表面模型；

(5d)参照图4，对新的天线表面模型重新进行网格划分，若面单元为三角形面单元，则直接提取；若面单元为四边形面单元，则把一个四边形分成两个三角形，集成所有面单元，构建符合电磁分析要求的新网格，如图10所示；

(5e)将重新划分过网格的天线表面模型作为天线的电磁分析模型。

步骤六，对得到的天线的电磁分析模型进行电性能计算。

将天线电磁分析模型导入到电磁场分析软件HFSS11.0中，设置边界条件，材料特性，施加激励，计算反射面天线的电性能参数，电性能参数如果满足预设的计算精度要求，则完成计算，反之，则重复步骤一至步骤六，直到满足预设的计算精度要求为止。

本发明的优点可通过以下仿真实例进一步说明：

本发明的参数化建模方法、制造误差施加方法、系统误差控制方法、随机误差施加方法可根据反射面天线的具体结构和工作频段来确定。以下给出一种实例，但不限于这种实例。

仿真实例1：

采用60米口径的可展开反射面天线为例，该天线结构参数的详细信息如表1所示。

表1

由表1可见，此天线为工作于太空中的大型可展开反射面天线，应用结构分析软件ANSYS11.0进行结构分析，电磁分析软件HFSS11.0进行电性能计算。

使用现有的结构分析与电磁分析软件，基于本发明的基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法对该反射面天线施加制造误差、系统误差和随机误差，进行结构模型与电磁模型的转换，并计算其天线方向图。

对本发明构建的天线电磁分析模型在无重力载荷作用下进行仿真得到的远场方向图如图11所示。

对本发明构建的天线电磁分析模型在1/10重力载荷作用下进行仿真得到的远场方向图如图12所示。

对本发明构建的天线电磁分析模型施加10％随机误差之后进行仿真得到的远场方向图如图13所示。

对本发明构建的天线电磁分析模型施加5％随机误差之后进行仿真得到的远场方向图如图14所示。

从图11和图12的比较中可以看到，重力载荷的增加对反射面天线的增益影响较小，从104dB降低到103dB，而对副瓣电平影响较大，从76dB提高到87dB。

从图13和图14的比较中可以看到，随机误差的减小会明显增加天线的主增益，从99dB提高到104dB，而对副瓣电平的影响较小，从76dB降低到77dB。由此可见，重力载荷的施加和随机误差的施加都会对电性能分析结果产生影响，在分析过程中加入这些误差因素也是必要的。

以上实例和仿真结果表明，本发明方法在反射面天线分析方面，一方面可以对非理想天线模型进行准确描述和分析计算，扩大了反射面天线的分析范围；另一方面可以将现有专业软件无法描述的制造误差、系统误差和随机误差引入到天线分析过程中，有效地集成了反射面天线的结构分析与电磁分析，提高了反射面天线的计算精度和计算效率。

本发明不仅能用于反射面天线的分析工作，也能用于微波频段的平板裂缝阵天线和滤波器的分析工作。

Claims (8)

1.一种基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法，包括如下步骤：

(1)根据天线加工的实际情况，确定天线制造误差的量值，按如下步骤将其融入到天线的结构参数中，对天线进行几何造型：

(1a)根据天线的具体形式以及电性能指标要求，提取天线的主要结构参数；

(1b)将结构参数按照相应的格式，写成可编辑的文件格式；

(1c)利用现有的三维造型软件，读取天线结构参数的文本文件，得到天线的三维模型；

(1d)根据天线加工的实际情况，确定天线模型的描述精度，通过改变描述精度来仿真天线制造精度的改变；如制造误差只在局部存在，通过输入位置坐标，确定制造误差施加的范围；

(2)根据天线的几何造型，建立天线的结构模型；

(3)根据天线的实际工作情况，确定环境载荷的量值，将环境载荷的量值施加到天线结构模型中，得到确定系统误差的天线变形结构网格：

(4)根据天线变形结构网格，构建天线的变形结构模型；

(5)根据天线的实际工作环境，确定随机误差的量值，并将随机误差的量值施加到天线的变形结构模型中：

(6)将天线的变形结构模型转换为天线电磁分析模型：

(6a)由天线结构分析模型，得到天线结构模型的体单元；

(6b)由天线结构模型的体单元提取出天线表面单元；

(6c)对天线表面模型进行修正；

(6d)重新进行网格划分，构建符合电磁分析要求的新网格；

(6e)根据电磁分析网格，构建天线电磁分析模型；

(7)根据天线电磁分析模型，设置边界条件，激励，划分网格，计算天线的电性能参数，如果满足天线电性能计算精度要求，完成计算，反之，重复步骤(1)至步骤(6)，直到满足要求为止。

2.根据权利要求1所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(3)所述的将环境载荷的量值施加到天线结构模型中，按如下步骤进行：

(3a)通过有限元分析软件，读入步骤(2)建立的天线结构模型； 

(3b)根据天线的实际工作环境，在既不破坏模型，又足以产生明显的变形以验证机电综合设计的正确性的前提下，设计多种载荷和控制的量值与施加位置，分别进行变形仿真试验；

(3c)如果步骤(3b)所做试验的变形结果满足设定的变形要求，则确定该载荷和控制的量值与施加位置；反之，改变载荷和控制的量值与施加位置，重复步骤(3b)，直到满足设定的变形要求为止；

(3d)根据步骤(3c)确定的载荷和控制的量值与施加位置，对天线有限元模型施加载荷和控制，得到天线的变形结构网格。

3.根据权利要求1所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(5)所述的将随机误差的量值施加到天线的变形结构模型中，按如下步骤进行：

(5a)根据天线的实际工作环境，确定施加随机误差的量值；

(5b)将随机误差的量值转换为符合正态分布的随机数，再将该随机数加到变形结构模型的节点坐标上；如随机误差只在局部存在，则通过输入位置坐标，确定随机误差的施加范围；

(5c)根据施加过随机误差的节点坐标，构建新的天线变形结构模型。

4.根据权利要求1所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(6b)所述的由天线结构模型的体单元提取天线表面单元，是从每一个体单元的六个面单元中提取出位于天线表面的面单元，并舍弃其他面单元，再将提取出来的所有面单元进行集成，得到天线的表面单元。

5.根据权利要求1所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(6c)所述的对天线表面模型进行修正，是判断每两个面单元是否重合，如果重合，则取其中一个面单元，反之，则全部保留，将保留的所有面单元进行集成，构建新的天线表面模型。

6.根据权利要求3所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(5a)所述的根据天线的实际工作环境，确定施加随机误差的量值，是根据天线的实际工作环境对天线的安装精度进行测试，再对测试数据进行统计，以测试数据的算数均方根值作为随机误差的量值。

7.根据权利要求3所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(5b)所述的将随机误差的量值转换为符合正态分布的随机数，是以随机误差的量值作为正态分布随机数的方差。

8.根据权利要求3所述的反射面天线机电综合分析方法，其中步骤(5c)所述的 根据施加过随机误差的节点坐标，构建新的天线变形结构模型，按如下步骤进行：

(8a)根据施加过随机误差的节点坐标，得到新的节点坐标；

(8b)由三个节点坐标合成一个面单元，由六个面单元合成一个体单元；

(8c)将所有体单元集成，构建新的天线变形结构模型。 

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