CN102968532B - 65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法 - Google Patents

65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法 Download PDF

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CN102968532B CN201210466403.6A CN201210466403A CN102968532B CN 102968532 B CN102968532 B CN 102968532B CN 201210466403 A CN201210466403 A CN 201210466403A CN 102968532 B CN102968532 B CN 102968532B
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Abstract

本发明公开了一种65米大型反射面天线的机电集成设计方法,主要解决大型天线设计中机电集成的问题。其步骤是:基于天线结构有限元分析,得到反射面变形后节点位移信息;根据节点理论设计坐标和变形后坐标空间位置关系,计算三角形单元质心点的理论坐标和位移;计算反射面三角形单元质心点的光程差及其对应口径面上的相位误差;将单元投影到口径面上,计算远区电场分布,得到电性能参数;以天线结构参数为设计变量,天线电性能参数最优为目标,建立优化模型;采用序列二次规划法求解优化模型,得到最优机械电磁综合设计方案,实现反射面天线机电集成设计。本发明可用于指导大型反射面天线的结构设计及对不同工况下的天线机电综合性能分析与评价。

Description

65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于天线技术领域,具体是一种65m 口径大型反射面天线结构机电集成设 计方法,用于指导65m 口径大型天线的结构设计,使其机械性能和电性能全优。
背景技术
[0002] 随着雷达通信、深空探测和射电天文事业的发展,反射面天线正在向高频段、大口 径的方向发展。大型反射面天线是典型的机电一体化装备,其机械性能与电性能相互影响、 相互制约。工程中,电气工程师提出机械结构设计要求,而结构工程师只能凭经验分配各组 成部件的设计精度。结果出现两种情况,一是后者用尽了所有办法、用上了最好的加工设备 与手段,还是无法满足要求;二是在实际生产中,制造精度高的并非总能满足电性能指标, 而有些制造精度没那么高的反倒可以满足电性能指标。结果导致天线制造成本高,研制周 期长,其性能无法从根本上保证。
[0003] 由于大型反射面天线的设计、制造与测试费用很高,因此要求其设计应当一次成 型。但又因大型天线的口径达几十米,其重量多达几百上千吨,给结构设计带来很大难度; 同时由于这种大型的天线结构非常易受到外部环境作用而发生变形,使天线电性能受到影 响。如结构变形使得天线增益下降、副瓣电平升高等。当高频段的天线工作频率达到Ka频 段时,天线结构变形对天线电性能的影响将更为严重。由于现有的反射面天线设计技术中 无法确定结构参数与电磁参数之间的定量关系,导致天线结构设计时必然存在机电分离的 问题。
[0004] 目前,国内外解决天线机电分离设计问题最常用的方法有如下几种:
[0005] (1)从综合角度对天线进行集成分析,用优化建模的思想把各个机械、电磁等学科 的设计要求进行统一考虑,这种方法考虑了机电综合设计的好处。如刘京生等所采用的方 法就是这种综合优化方法。但该方法没有从根本上分析天线结构变形是如何影响天线电性 能的,即不能在满足电性能指标前提下给出降低结构设计难度的方案。
[0006] (2)利用天线反射面变形分布函数,得到各节点对天线远区电场的贡献,从 而分析不同变形情况下的天线电性能变化情况,如在K. Bahadori, Y. Rahmat-samii. Characterization of effects of periodic and aperiodic surface distortions on membrane reflector antennas. IEEE Trans. Antennas and Propagation,VOL 53,NO. 9,S eptember 2005中所采用的方法就是这种方法。该方法仅是假设反射面变形满足一定的三 角函数分布,但实际中结构变形难以用某一具体函数给出。同时该方法的机电性能综合分 析是建立在结构变形形状假设的基础上,不能反映天线结构变形与天线电性能之间的真实 影响关系。
[0007] (3)采用实际工程中的天线变形曲面上的测量点,以及理论节点仿真分析变形后 作为计算对象,分析天线变形对天线电性能的影响,如在《现代雷达》1994年第1期"天线 变形曲面的一种拟合方法"(华慕麟)文献中就采用这种方法。此方法工程应用价值大,但 关键是要有实际加工、装配好的天线,且需在天线实物上进行测量分析。一般天线结构设计 人员在仿真设计阶段需要知道当前结构下的天线电性能,并据此判断是否需要更改或重新 设计天线结构,而不能在天线结构已确定、反射面已加工成形、装配也已完成的情况下,再 分析天线的机械性能和电性能。
发明内容
[0008] 本发明的目的是避免上述现有技术方法的不足,针对某65米口径大型反射面天 线,提出一种天线结构的机电集成设计方法,指导65m口径大型反射面天线结构的机电一 体化设计,以降低设计成本、提高天线的机械和电磁综合性能。
[0009] 实现本发明目的的技术方案是,基于65m口径大型反射面天线结构有限元分析, 得到反射面变形后的节点位移,根据反射面节点的理论设计坐标和变形后坐标的空间位置 关系,计算反射面节点位移导致的口径场相位误差,并在此基础上计算天线远区电场分布, 绘制天线远区电场的方向图,得到天线增益、副瓣电平和波束宽度,以天线结构尺寸、形状 和拓扑等参数为设计变量,天线电性能参数最优为目标,建立优化模型,对天线结构进行机 电集成设计。具体过程如下:
[0010] (1)根据65m口径大型反射面天线结构及形状参数,确定天线 结构有限元模型,得到反射面三角形单元,及三角形单元节点的理论坐标
Figure CN102968532BD00071
[0011] (2)利用结构有限元分析软件,对65m口径大型反射面天线结构有限元模型 进行静力分析,得到反射面变形后各三角形单元节点的位移
Figure CN102968532BD00072
Figure CN102968532BD00073
[0012] (3)根据结构有限元分析软件所得到的65m口径大型反射面天线各三角形单 元及其节点的对应关系,计算各三角形单元质心点的理论坐标
Figure CN102968532BD00074
I和位移
Figure CN102968532BD00075
[0013] (4)利用空间两点距离计算公式,得到反射面变形后各三角形单元质心节点
Figure CN102968532BD00076
的光程差en,并计算各二角形单兀质心节点位移在口 径面引起的相位误差Sn;
[0014] (5)确定65m口径大型反射面天线口径面场振幅分布Q(p),依据各三角形单元质 心节点位移在口径面引起的相位误差S n,通过天线远区电场分布函数,计算天线电性能参 数;
[0015] (6)以天线结构中尺寸、形状和拓扑参数为设计变量,以天线电性能参数最优为目 标,建立优化数学模型,通过求解此模型得到机械性能和电性能全优的65m口径大型反射 面天线结构方案;
[0016] 所述步骤⑷按如下过程进行:
[0017] (4a)设馈源相位中心的坐标为F (xF,yF,zF),变形之前馈源到反射面第n个三角形 单元质心点M,zf)的光程4为:
Figure CN102968532BD00081
[0019] (4b)馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点+Azf)的 光程4为:
Figure CN102968532BD00082
[0021] 式中,为Oxyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在X方向 的变形量,4vf为〇 xyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在y方向的变 形量,Azf为〇xyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在z方向的变形 量;
[0022] (4c)由(4a)和(4b)得到反射面变形前后电磁波到达第n个三角形单元质心点所 经过的光程差e "为:
Figure CN102968532BD00083
[0024] (4d)馈源辐射的电磁波经反射面反射后平行于焦轴,由(4a),(4b)与(4c)得到 单元质心点位移在口径面引起的第n个三角形单元的相位误差6"为:
Figure CN102968532BD00084
[0026] 式中,k = 2 31 / A是传播常数,A是波长;
[0027] 所述步骤(5)按如下过程进行:
[0028] (5a)依据如下公式得到天线口径场振幅分布Q(P)为:
Figure CN102968532BD00085
[0030] 式中,B和C为边缘锥销参数,且B+C = 1,P为口径场分布参数,a为反射面天线 半径;
[0031] (5b)将反射面单元投影到口径面上,把各单元质心点的相位误差s n作为该单元 投影域的相位误差;
[0032] (5c)根据海伦公式,以
Figure CN102968532BD00086
为顶点坐标的第n个三角形单元在口径面上投影三角形区域的面积A Sn'为:
Figure CN102968532BD00087
Figure CN102968532BD00088
分别是投影三角形的三边长,
Figure CN102968532BD00089
是中间变 量;
[0035] (5d)根据上述口径场振幅分布和相位分布参数,通过如下公式计算天线远区电场 分布E为:
Figure CN102968532BD00091
[0037] 式中,A= 4 为口径场采样点向量;A = IAI为口径场采样点半径;Q (n)= Q(pn)为口径场分布参数;卩:为远区观察点到原点的距离矢量;N为三角形单元总数;
[0038] (5e)通过天线远区电场分布函数,计算天线电性能参数依据天线远区电场分布。
[0039] 所述步骤(5e)计算天线电性能参数依据天线远区电场分布,绘制天线远区电场 方向图,从天线远区电场方向图中得到天线的增益G、副瓣电平SLL和波束宽度0;
[0040] 所述步骤(6)按如下过程进行:
[0041] (6a)建立如下65m 口径大型反射面天线结构机电集成优化模型计算最优结构设 计参数:
[0042] Find:A, Z, ma
Figure CN102968532BD00092
[0047] j = 1, 2,____, NE
[0048] s = 1, 2, . . . ,NS
[0049] 式中,A = (A), (i = 1, 2, • • • , NA)为原始结构背架单元横截面积,Z = 〇,(i = 1,2, ...,NZ)为背架结构下弦节点纵向坐标值,ma为俯仰齿轮上单位面积的配重,AG s为第 s工况下的增益损失,a s为该工况的权值,W为总重量,W ^为质量上限,Z 5为天线整体重心 的位置,^为天线俯仰轴的设计高度,crj为第j个单元在第s工况下的v〇n Mises应力值, 为某工况下最大单元应力值,NE为单元总数,NS为工况总数;
[0050] (6b)采用序列二次规划法(SQP-D0NLP)来对65m 口径大型反射面天线结构机电 集成优化模型进行求解,并利用有限差分方法来计算优化模型中目标函数和约束函数的敏 度,判断计算出的天线电参数是否满足要求,如果满足要求则天线结构设计方案合格;否 贝1J,修改设计变量值,并重复步骤(1)至步骤(6),直至得到满足机械性能和电性能指标的 结构设计方案。
[0051] 步骤(1)中天线结构包括中心体、背架以及反射面板尺寸。
[0052] 所述步骤⑴三角形单元节点的理论坐标为
Figure CN102968532BD00093
步骤⑵反射面变形后各三角形单元节点的位移为
Figure CN102968532BD00094
Figure CN102968532BD00095
丨、步骤(3)各三角形单元质心点的理论坐标为-
Figure CN102968532BD00096
和位移
Figure CN102968532BD00101
、步骤(4)反射面变形后各三角形单元质心节点为
Figure CN102968532BD00102
中,n为大于1的自然数。
[0053] 所述步骤⑶按如下过程进行:
[0054] (3a)设第n个三角形单元的三个节点坐标分别为
Figure CN102968532BD00103
Figure CN102968532BD00104
,得到该三角形单元质心点坐标
Figure CN102968532BD00105
Figure CN102968532BD00106
[0056] (3b)设该第n个三角形单元的三个节点位移分别为
Figure CN102968532BD00107
Figure CN102968532BD00108
,得到该三角形单元质心点位移
Figure CN102968532BD00109
Figure CN102968532BD001010
[0058] 本发明与现有技术相比,具有如下优点:
[0059] 1.利用天线馈源相位中心到反射面三角形单元质心点的空间直线距离,计算反射 面变形前后电磁波所经过的光程差,从而精确计算单元质心点对应的口径面相位误差;
[0060] 2.将反射面上三角形单元投影到口径面,各单元质心点相位误差代表该单元的相 位变化,通过口径场积分计算天线远区电场分布,得到天线电参数,使天线结构参数与电磁 参数紧密联系,避免了仅使用反射面精度来判断天线性能的不足,实现天线的机电综合分 析;
[0061] 3.通过建立并求解优化数学模型,在满足一定机械性能约束的前提下得到天线最 优电性能,避免了凭经验进行天线结构设计,实现了65m口径大型反射面天线结构的机电 集成设计。
附图说明
[0062]图1是本发明65m口径大型反射面天线机电集成设计流程图;
[0063] 图2是本发明反射面上三角形单元及节点坐标示意图;
[0064] 图3是本发明反射面三角形单元质心点及投影面积示意图;
[0065] 图4是本发明口径面相位误差示意图;
[0066]图5是本发明反射面天线电性能参数计算流程图;
[0067] 图6是65m口径大型反射面天线几何参数示意图;
[0068] 图7是65m口径大型反射面天线有限元模型;
[0069] 图8是20°仰角工况下机电集成优化前后天线方向图对比;
[0070] 图9是70°仰角工况下机电集成优化前后天线方向图对比。
具体实施方式
[0071] 以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
[0072] 参照图1,本发明的具体步骤如下:
[0073] 步骤一,建立65m 口径大型反射面天线有限元模型。
[0074] 根据已经给定天线口径D、焦距f、反射面板、辐射梁、环梁、中心体基本参数,确定 天线结构有限元模型,并在直角坐标Oxyz下得到反射面三角形单元,及三角形单元节点的 理论坐标
Figure CN102968532BD00111
,n为大于1的自然数, 如图2所示,其中A为反射面,B为三角形单元节点,C为三角形单元,同时确定反射面顶点 在模型坐标系中的坐标h,本发明采取Z向高度。
[0075] 步骤二,对天线结构有限元模型进行静力分析,得到变形后的单元节点信息。
[0076] 利用结构有限元分析软件,对天线反射体结构在自重、风荷、温度和冰雪荷载不 同工况下进行静力分析,在直角坐标Oxyz下得到反射面变形后各三角形单元节点的位移
Figure CN102968532BD00112
[0077] 步骤三,计算三角形单元质心点坐标、位移及单元投影面积。
[0078] 参照图3,其中A为反射面,B为口径面,C为反射面三角形单元,D为口径面投影三 角形,Pn,i、Pn,2、Pn, 3分别为第n个三角形单元的三个节点,M为该三角形单元质心点,P 、 Pn,2'、Pn,3'分别第n个投影三角形的三个顶点,l n,i、ln,2、ln,3分别为第n个投影三角形的三 边的长度,A Sn'为第n个三角形单元在口径面上投影区域的面积。计算反射面三角形单元 质心点坐标以及位移的具体步骤如下:
[0079] 1)设第n个三角形单元的三个节点坐标分别为
Figure CN102968532BD00113
Figure CN102968532BD00114
,得到该三角形单元质心点坐标
Figure CN102968532BD00115
Figure CN102968532BD00116
[0081] 2)设第n个三角形单元的三个节点位移分别为
Figure CN102968532BD00117
Figure CN102968532BD00118
,得到该三角形单元质心点位移
Figure CN102968532BD00119
[0083] 步骤四,计算口径面的相位误差。
[0084]参照图4,在直角坐标Oxyz下,A为口径面,F为馈源相位中心,<为反射面变形之 前馈源到反射面第n个三角形单元质心点M的光程,dn为反射面变形后馈源到反射面第n 个三角形单元质心点M'的光程,Azf为反射面第 n个三角形单元质心点的轴向位移,6"为 第n个三角形单元质心点位移在口径面引起的相位误差,Pn为口径场采样点半径。口径面 相位误差的计算过程如下:
[0085] 1)设馈源相位中心的坐标为F (xF,yF,zF),变形之前馈源到反射面第n个三角形单 元质心点)的光程< 为:
Figure CN102968532BD00121
[0087] 2)馈源相位中心到反射面变形后第n个三角形单元质心点
Figure CN102968532BD00122
丨的光程dn为:
Figure CN102968532BD00123
[0089] 式中,Arf为Oxyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在x方 向的变形量,A):为〇xyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在y方向的 变形量,Azf为Oxyz坐标下馈源到反射面变形后第n个三角形单元质心点在z方向的变形 量;
[0090] 3)反射面变形前后电磁波到达第n个三角形单元质心点所经过的光程差 e n为:
[0091] Bn=dn-dl-,
[0092] 4)馈源辐射的电磁波经反射面反射后平行于焦轴,第n个三角形单元质心点位移 在口径面引起的相位误差八为:
Figure CN102968532BD00124
[0094] 式中,k =231 / A是传播常数,A是波长。
[0095] 步骤五,计算天线电性能参数。
[0096] 参照图5,天线电性能参数的计算步骤如下:
[0097] 1)计算口径场振幅分布Q(P)为:
Figure CN102968532BD00125
[0099] 式中,B和C为边缘锥销参数,且B+C = 1,选择合适的B,即得到不同边缘照射电 平,P为口径场分布参数,用来控制口径场分布的形状,a为65m 口径大型反射面天线半径;
[0100] 2)将反射面单元投影到口径面上,把各单元质心点的相位误差Sn作为该单元投 影区域的相位误差;
[0101] 3)第n个三角形单元在口径面上投影区域仍然为三角形,其顶点坐标分别为
Figure CN102968532BD00126
,如图3所示,得到第n个投影三角形的三个 边长:
Figure CN102968532BD00131
[0105] 根据海伦公式,得到第n个三角形单元在口径面上投影区域的面积A Sn':
Figure CN102968532BD00132
[0107]式中,
Figure CN102968532BD00133
是中间变量,海伦公式是利用三角形的三条边长来求取 三角形面积的方法;
[0108] 4)根据上述口径场振幅分布和相位分布参数,通过如下公式计算天线远区电场分 布:
Figure CN102968532BD00134
[0110] 式中,A = 4 + iyf为口径场采样点向量;A, = IA |:为口径场采样点半径;Q (n)= Q(Pn)为口径场分布参数d为观察点到原点的单位向量;N为三角形单元总数;
[0111] 5)计算天线电性能参数依据天线远区电场分布,绘制天线远区电场方向图,从天 线远区电场方向图中得到天线的增益G、副瓣电平SLL和波束宽度0。
[0112] 步骤六,建立并求解优化模型。
[0113] 天线结构参数的优化求解步骤如下:
[0114] 1)建立如下65m 口径大型反射面天线结构机电集成优化数学模型,计算最优结构 设计参数:
[0115] Find:A,Z,ma
Figure CN102968532BD00135
[0117] s.t.:ff^ff〇
[0118] ^=Z;
[0119] =max(<T;) <\a]
[0120]j= 1, 2,____,NE
[0121] s= 1, 2, . . . ,NS
[0122] 式中,A = (A), (i = 1, 2, • • • , NA)为原始结构背架单元横截面积;Z = 〇,(i = 1,2, ...,NZ)为背架结构下弦节点纵向坐标值;ma为俯仰齿轮上单位面积的配重;A Gs为第 s工况下的增益损失;a s为该工况的权值;W为总重量;W ^为质量上限;Z 5为天线整体重心 的位置;< 为天线俯仰轴的设计高度;〃)为第j个单元在第S工况下的vonMises应力值; 为某工况下最大单元应力值;NE为单元总数;NS为工况总数。
[0123] 2)采用序列二次规划法(SQP-D0NLP)对65m 口径大型反射面天线结构机电集成优 化模型进行求解,利用有限差分方法来计算优化模型中目标函数和约束函数的敏度,判断 计算出的天线电参数是否满足要求,如果满足要求则天线结构设计方案合格;否则,修改结 构设计参数,并重复步骤一至步骤六,直至得到满足机械性能和电性能指标的结构设计方 案。序列二次规划法(SQP-D0NLP)是求解一般非线性约束问题的方法,适合求解小规模一 般最优控制问题,该解法的精度与分析结构的节点数目有关,适用于65m 口径大型反射面 天线问题的求解。
[0124] 本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明:
[0125] 1.仿真条件
[0126] 将本发明的65m 口径大型反射面天线结构机电集成设计方法应用于65m 口径大型 反射面天线上,进行天线反射体结构设计与电性能预测实验。如图6所示,其中,A为天线 主反射面,主反射面口径为65000mm,主反射面高度为13826. 44mm,主反射面中心体内径为 6000mm,主反射面口径到馈源相位中心距离为14169. 32mm,B为副反射面,g[J反射面口径为 6100m,副反射面高度为1773. 91mm,副反射面口径到主反射面顶点距离为19134. 01mm,副 反射面半张角为79.61°,馈源半张角为8.9°,等效焦径比为0.30。
[0127] 应用结构有限元分析软件ANSYS建立天线反射体结构的有限元模型。该天线反射 面为实板型,背架属刚架类。天线反射面径向分为九圈,共有544块面板。每块面板采用 刚性面板结构设计,由拉伸蒙皮和经拉伸成型的纵向筋、环向筋铆接而成。单块面板构件 的材质均采用硬铝钣LY12-M,在有限元分析时视为壳单元,在ANSYS软件选用单元类型为 Shell63,整个反射面共划分了 42883个三角形壳单元。天线背架沿中心体圆周均匀布有16 片辐射梁,48根环形梁。整个背架均为合金钢管焊接而成,每个钢管在有限元中视为梁单 元,在Ansys软件中选用单元类型为Beaml88,共有15607个梁单元。
[0128] 工作频段为S频段和X频段,该S频段增益要求不小于58. ldB,该X频段增益要求 不小于70. 5dB。副瓣包络满足CCIR. 580-2要求,工作风速为20m/s,生存风速为55m/s,工 作环境温度范围为_45°C至60°C,表面精度指标是0. 6_,整个天线反射体结构重量< 300 吨。利用本发明的天线结构机电集成设计方法,把65m天线反射体结构重量从300吨降低 到276吨,且把天线效率提高到60%。天线照射锥削为-10dB,口径场分布参数等于1,工作 频率为8GHz。
[0129] 2.仿真结果
[0130] 利用以上条件仿真所建立的天线结构模型,如图7所示。仿真在天线自重作用下, 不同工作仰角时,优化天线电性能参数,如表1所示。在俯仰角为20°的工况下天线电性能 优化前后天线方向图分布如图8所示;在俯仰角为70°的工况下天线电性能优化前后天线 方向图分布如图9所示。
[0131] 表1优化前后结果对比
[0132]
Figure CN102968532BD00151
[0133] 从表1中数据可看出,原始设计方案在俯仰角为20°的工况下吻合精度为 0. 6945,增益损失为0. 0494 ;在俯仰角为70°的工况下吻合精度为0. 6961,增益损失 为0.1295。机电集成优化后在俯仰角为20°的工况下吻合精度为0.6193,增益损失为 0.0493;在俯仰角为70°的工况下吻合精度为0.6440,增益损失为0.0900。基于本发明 的65m 口径大型反射面天线结构机电集成设计方法所建立的天线结构,在俯仰角为20°和 70°两工况下的天线增益损失均在0. ldB以下,满足设计要求。
[0134] 通过该案例的实验结果,证明采用本发明的方法可用于进行65m口径大型反射面 天线结构设计与电性能预测。

Claims (4)

1. 一种65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法,其特征在于,该方法包括如 下过程: (1) 根据65m口径大型反射面天线结构及形状参数,确定天线结构有限元模型,得到反 射面^角形单元,及^角形单元节点的理论坐标巧,1(<1,.<1,<1)、气2(<2,.<2,<2)和 巧,3(^'^。,3,义,,3,2,,,3),11为大于1的自然数; (2) 利用结构有限元分析软件,对65m口径大型反射面天线结构有限元模型进 行静力分析,得到反射面变形后各S角形单元节点的位移、 作,.2 ( ,4<2,A<2 )巧Ai^,3 (A<3,A铅,A<3 ); (3) 根据结构有限元分析软件所得到的65m口径大型反射面天线各=角形单元 及其节点的对应关系,计算各^角形单元质屯、点的理论坐标M(不f,乂和位移 AM(Ax,f,Ayr,Azf); (4) 利用空间两点距离计算公式,得到反射面变形后各S角形单元质屯、节点 M'(皆+Axf,义f+4vf,zf+Az,f)的光程差e。,并计算各;角形单元质屯、节点位移在口 径面引起的相位误差5。; (5) 确定65m口径大型反射面天线口径面场振幅分布Q(P),依据各=角形单元质屯、节 点位移在口径面引起的相位误差5。,通过天线远区电场分布函数,计算天线电性能参数; (6) W天线结构中尺寸、形状和拓扑参数为设计变量,W天线电性能参数最优为目标, 建立优化数学模型,通过求解此模型得到满足机械性能和电性能指标的65m口径大型反射 面天线的结构方案; 所述步骤(4)按如下过程进行: (4a)设馈源相位中屯、的坐标为F(而,折,zp),变形之前馈源到反射面第n个S角形单元 质屯、点M(皆,.vf,zf)的光程成为;
Figure CN102968532BC00021
(4b)馈源到反射面变形后第n个立角形单元质屯、点片+Axfj'f+A>'f,皆+AZ;:')的光 程屯为;
Figure CN102968532BC00022
式中,Axf.为化yz坐标下馈源到反射面变形后第n个S角形单元质屯、点在X方向的 变形量,为化yz坐标下馈源到反射面变形后第n个=角形单元质屯、点在y方向的变形 量,Azf为化yz坐标下馈源到反射面变形后第n个=角形单元质屯、点在Z方向的变形量; (4c)由(4a)和(4b)得到反射面变形前后电磁波到达第n个S角形单元质屯、点所经过 的光程差e。为;
Figure CN102968532BC00031
(4d)馈源福射的电磁波经反射面反射后平行于焦轴,由(4a),(4b)与(4c)得到单元 质屯、点位移在口径面引起的第n个S角形单元的相位误差5。为;
Figure CN102968532BC00032
式中,k= 231/A是传播常数,A是波长; 所述步骤(5)按如下过程进行: 巧a)依据如下公式得到天线口径场振幅分布Q(P)为:
Figure CN102968532BC00033
式中,B和C为边缘锥销参数,且B+C= 1,P为口径场分布参数,a为反射面天线半径; 巧b)将反射面单元投影到口径面上,把各单元质屯、点的相位误差5。作为该单元投影 域的相位误差; 巧C)根据海伦公式,レッi^,,l(<l,.<l,為)、C,2(<2,.<2,冷)和C,3(<3,乂3,每)为 顶点坐标的第n个=角形单元在口径面上投影=角形区域的面积As。'为:
Figure CN102968532BC00034
变量; 巧d)根据上述口径场振幅分布和相位分布参数,通过如下公式计算天线远区电场分布E为:
Figure CN102968532BC00035
式中,々,=皆+皮f为口径场采样点向量;A=|a|为口径场采样点半径;Q(n)= Q(P。)为口径场分布参数;r'为远区观察点到原点的距离矢量;N为S角形单元总数; 巧e)通过天线远区电场分布函数,计算天线电性能参数依据天线远区电场分布; 所述步骤巧e)计算天线电性能参数依据天线远区电场分布,绘制天线远区电场方向 图,从天线远区电场方向图中得到天线的增益G、副瓣电平化L和波束宽度0 ; 所述步骤(6)按如下过程进行: 化a)建立如下65m口径大型反射面天线结构机电集成优化模型计算最优结构设计参 数: Find:A,Z,
Figure CN102968532BC00041
j二 1,2, • • ••,NE s二 1,2, • ••,NS 式中,A二(Ai),(i二1,2,. . .,NA)为原始结构背架单元横截面积,Z二化),(i二 1,2,...,N巧为背架结构下弦节点纵向坐标值,m。为俯仰齿轮上单位面积的配重,AG,为第 S工况下的增益损失,aS为该工况的权值,W为总重量,W。为质量上限,ZP为天线整体重屯、 的位置,为天线俯仰轴的设计高度,^为第j个单元在第S工况下的vonMises应力值, 巧Lx为某工况下最大单元应力值,肥为单元总数,NS为工况总数; 化b)采用序列二次规划法(SQP-D0NL巧来对65m口径大型反射面天线结构机电集成优 化模型进行求解,并利用有限差分方法来计算优化模型中目标函数和约束函数的敏度,判 断计算出的天线电参数是否满足要求,如果满足要求则天线结构设计方案合格;否则,修改 设计变量值,并重复步骤(1)至步骤化),直至得到满足机械性能和电性能指标的结构设计 方案。
2. 根据权利要求1所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法,其特征在 于步骤(1)中天线结构包括中屯、体、背架W及反射面板尺寸。
3. 根据权利要求1所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法,其特征 在于所述步骤(1)S角形单元节点的理论坐标6,1(请,為2,>屯,瑞) 和尸。,3(记,.吃,為3)、步骤似反射面变形后各S角形单元节点的位移为 ACa(A<l,A.<l,A<l)、Ai^:,2(A<2,A说,A<2)和^n3«3,A.<3,A<3)、步骤做各ミ 角形单元质屯、点的理论坐标为M(不f,.vf,zf)和位移AM(Axf,A乂^A2f)、步骤(4)反 射面变形后各S角形单元质屯、节点为M'bf+Arf,乃f+4皆,zf+Azf)中,n为大于1的 自然数。
4. 根据权利要求1所述的65m口径大型反射面天线结构机电集成设计方法,其特征在 于,所述步骤(3)按如下过程进行: 触设第。个;角形单元的;个节点坐标分别为请,.<1為)、^^,,2(境,说,<2) 和(<3,.<3,<3 ),得到该S角形单元质屯、点坐标W(皆,.vf,zf):
Figure CN102968532BC00042
(3b)设该第n个S角形单元的S个节点位移分别为(A<i,Ayfj,Azfj)、AP",,(A<"A<2,Azy和Ai^,(A<3,A成,A<3),得到该;角形单元质屯、点位移 AM(Arf,Avf,Azf):
Figure CN102968532BC00051
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