CN103678810A - 一种静电成形薄膜天线的电极布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种静电成形薄膜天线的电极布局方法。本发明通过建立薄膜反射面天线的有限元模型，对电极位置及电压进行相应的优化配置，实现了薄膜反射面天线的最优电极布局。该发明能够有效提高反射面的形面精度，防止反射面褶皱，同时降低系统的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及电极布局及其应用领域，特别是静电成形薄膜天线的电极布局方法。
背景技术
薄膜反射面天线是一种提高反射面形面精度的新思路，在网状反射面的基础上，通过在索网之上放置电极及薄膜反射面，通过静电场力使之成为更高精度的反射面。静电成形薄膜反射面形面控制主要是基于控制电极上电势的大小和分布。薄膜所受静电力的大小和极板的形面、电压以及薄膜的形面有关。传统上，将极板制作成和薄膜最终形面平行的形式，通过平板电容来实现静电场力和静电压的简单对应。然而，现有支撑结构本身无法提供所需的理想的平行支撑曲面，因而平板电容器原理并不能直接应用。同时静电场力太弱，通常只有在高电压作用下才能获得，但电子元器件的耐高压性能和地面试验环境的双重限制，又不可能通过无限提高电压的思路来实现较大的静电力。这导致平面薄膜通过静电场力不能发生较大的变形，难以满足工程上要求的大曲率（或小焦径比）。因而需要对不同位置电极的电压进行不同配置，才可能实现所需天线形面。
同时，静电成形薄膜反射面天线最突出的技术优势之一，便是通过分布式电极对抗太空工作的恶劣热环境，即在热环境变化导致支撑索网或薄膜本身形面局部发生变形时，通过调节相应电极的电压，保持所需的高精度。一般来说，增加分布电极布局数目，可以实现精度的提高。然而分布电极个数过多，将使得控制系统变得复杂庞大，同时也会增加电极间放电击穿的可能，对实现天线功能是极为不利的。另外，静电成形薄膜天线在收拢态时折叠封装，随着基础支撑结构展开并通过静电力控制薄膜成形。这种方案存在的最大隐患在于展开后薄膜可能会发生褶皱现象。对于高精度薄膜反射面天线而言，褶皱是一种不可恢复的失效形式。而保证其不出现褶皱最基本的条件是薄膜受静电力后其应力不超过应力运行值，且分布均匀。
因此从系统优化技术的角度出发，寻求合理的电极布局的一般方法，在保证面形精度的同时，又不过分的增加系统的复杂性，对静电成形薄膜反射面技术在大口径、高精度空间天线的实现是一项关键性技术难题。而现有的文献和相关资料也都没有正面的给出相应的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种静电成形薄膜天线的电极布局方法。本发明通过建立薄膜反射面天线的有限元模型，对电极位置及电压进行相应的优化配置，实现了薄膜反射面天线的最优电极布局。该发明能够有效提高反射面的形面精度，防止反射面褶皱，同时降低系统的复杂性。其关键步骤就是通过优化的方法对反射面电极进行位置及电压进行配置。
本发明的技术方案是，一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤101：开始静电成形薄膜反射面天线电极布局方法；
步骤102：选择初始的电极划分、电压通道数目、初始电压配置、初始电极位置配置；
步骤103：建立在静电力作用下的薄膜反射面形面控制模型；
步骤104：基于优化的方法，计算天线反射面各参数性能，配置电极位置及相应电压；
步骤105：结束静电成形薄膜反射面天线布局方法。
所述的步骤103，包括如下步骤：
步骤201：开始建立薄膜反射面形面控制模型；
步骤202：将薄膜反射面离散为若干个平面三角形膜单元；
步骤203：得到反射面上任一点的位移-应变关系εx，εy、εxy；
步骤204：得到薄膜反射面的应变能
其中{εD}={εxD,εyD,0}T是在外扰下的应变；
步骤205：基于平板电容器原理，得到静电面力
其中U是极间电压，εPER是真空介电常数。
步骤206：基于虚功原理，膜单元应力在虚应变上所做的功等于在受到静电面力作用下其在虚位移上做的功，即可得薄膜系统的形面控制模型[KL+KNL]{X}={FD+FE}，其中[KL]和[KNL]分别是薄膜结构的线性及非线性刚度阵，{X}是节点位移向量，{FD}和{FE}分别是外扰及静电面力的载荷向量。
步骤207：结束建立薄膜反射面形面控制模型，获得节点变形与外扰和静电面力载荷的关系。
所述的步骤104，包括如下步骤：
步骤301：进入电极位置和电压配置的优化设计。依据步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型；
步骤302：基于最小二乘法，进行电压控制策略的求解，寻找最优的电极位置和电压配置；
步骤303：根据步骤302得到的最优的配置参数，得到薄膜反射面的性能参数；
步骤304：根据步骤303得到的性能参数，得到优化目标-供电通道数ch，约束-各供电通道对应的电压
单元应力σ、形面精度RMS等；
步骤305：判断是否满足优化方法的终止条件，如满足，即输出结果；如果不满足，转到步骤302，继续优化；
步骤306：输出最优的电极位置和电压配置结果；
步骤307：结束电极位置和电压配置的优化设计。
所述的步骤302，包括如下步骤：
步骤401：进入基于最小二乘法的电压控制策略；
步骤402：根据步骤102设置的初始电极位置和电压配置和步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型，利用ANSYS软件计算在外载荷FD下的节点变形；
步骤403：调整电极位置及电压配置；
步骤404：再次计算反射面的各项性能参数，包括单元应力σ，形面精度RMS等；
步骤405：判断是否满足形面精度RMS最小，如满足，即输出结果；如果不满足，转到步骤402，寻找更优的配置方式；
步骤406：输出最优的电压配置结果；
步骤407：结束基于最小二乘法的电压控制策略。
本发明的优点是：该发明克服了静电成形薄膜反射面天线形面控制中的大曲率、静电力上限、薄膜褶皱的限制，实现了：1）根据电极的划分形式，通过将电极连接到不同的电压通道并施与相应的电压值，实现了在外部载荷（力或空间热环境）影响下薄膜反射面局部形面的调整；2）基于优化方法，通过对电极位置和电压配置选择，实现了最优的天线性能（形面精度RMS最小，不发生形面褶皱现象），同时降低系统的复杂性。
通过本发明就可以实现对不同口径，不同电极划分方式下薄膜反射面天线的形面精度的提高并降低系统复杂性。该发明打破了以往静电成形薄膜反射面天线仅适合小曲率，静电力不足和易出现褶皱现象的限制。
附图说明
图1静电成形薄膜反射面天线的电极布局方法的主流程图；
图2静电成形薄膜反射面天线建模过程；
图3薄膜反射面电极位置及电压配置优化过程；
图4基于最小二乘法的电压控制策略。
具体实施方式
如图1所示，一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤101：开始静电成形薄膜反射面天线电极布局方法；
步骤102：选择初始的电极划分、电压通道数目、初始电压配置、初始电极位置配置；
步骤103：建立在静电力作用下的薄膜反射面形面控制模型；
步骤104：基于优化的方法，计算天线反射面各参数性能，配置电极位置及相应电压；
步骤105：结束静电成形薄膜反射面天线布局方法。
如图2所示，所述的步骤103建立在静电力作用下的薄膜反射面形面控制模型具体涉及如下步骤：
步骤201：开始建立薄膜反射面形面控制模型；
步骤202：将薄膜反射面离散为若干个平面三角形膜单元；
步骤203：得到反射面上任一点的位移-应变关系εx，εy、εxy；
步骤204：依据公式：
得到薄膜反射面的应变能，公式中，{εD}={εxD,εyD,0}T是在外扰下的应变；
步骤205：基于平板电容器原理，得到静电面力
其中U是极间电压，εPER是真空介电常数，L是电极间距。
步骤206：基于虚功原理，膜单元应力在虚应变上所做的功等于在受到静电面力作用下其在虚位移上做的功，即可得薄膜系统的形面控制模型[KL+KNL]{X}={FD+FE}，其中[KL]和[KNL]分别是薄膜结构的线性及非线性刚度阵，{X}是节点位移向量，{FD}和{FE}分别是外扰及静电面力的载荷向量。
步骤207：结束建立薄膜反射面形面控制模型，获得节点变形与外扰和静电面力载荷的关系。
式中，εx，εy分别是x、y方向的应变，εxy是oxy平面内剪应变；
如图3所示，图1的步骤104基于优化的方法，计算天线反射面各参数性能，配置电极位置及相应电压，包括如下步骤：
步骤301：进入电极位置和电压配置的优化设计。依据步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型；
步骤302：基于最小二乘法，进行电压控制策略的求解，寻找最优的电极位置和电压配置；
步骤303：根据步骤302得到的最优的配置参数，得到薄膜反射面的性能参数；
步骤304：根据步骤303得到的性能参数，得到优化目标-供电通道数ch，约束-各供电通道对应的电压
单元应力σ、形面精度RMS等；
步骤305：判断是否满足优化方法的终止条件，如满足，到步骤306，即输出结果；如果不满足，转到步骤302，继续优化；
步骤306：输出最优的电极位置和电压配置结果；
步骤307：结束电极位置和电压配置的优化设计。
如图4所示，图3的步骤302，包括如下步骤：
步骤401：进入基于最小二乘法的电压控制策略；
步骤402：根据步骤102设置的初始电极位置和电压配置和步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型，利用ANSYS软件计算在外载荷FD下的节点变形；
步骤403：调整电极位置及电压配置；
步骤404：再次计算反射面的各项性能参数，包括单元应力σ，形面精度RMS等；
步骤405：判断是否满足形面精度RMS最小，如满足，到步骤406，即输出结果；如果不满足，转到步骤402，寻找更优的配置方式；
步骤406：输出最优的电压配置结果；
步骤407：结束基于最小二乘法的电压控制策略。
本实施例没有详细叙述的部件和结构及工艺属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (4)
1.一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤101：开始静电成形薄膜反射面天线电极布局方法；
步骤102：选择初始的电极划分、电压通道数目、初始电压配置、初始电极位置配置；
步骤103：建立在静电力作用下的薄膜反射面形面控制模型；
步骤104：基于优化的方法，计算天线反射面各参数性能，配置电极位置及相应电压；
步骤105：结束静电成形薄膜反射面天线布局方法。
2.根据权利要求1所述的一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：所述的步骤103，包括如下步骤：
步骤201：开始建立薄膜反射面形面控制模型；
步骤202：将薄膜反射面离散为若干个平面三角形膜单元；
步骤203：得到反射面上任一点的位移-应变关系εx，εy、εxy；
步骤204：得到薄膜反射面的应变能
其中{εD}={εxD,εyD,0}T是在外扰下的应变；
步骤205：基于平板电容器原理，得到静电面力
其中U是极间电压，εPER是真空介电常数；
步骤206：基于虚功原理，膜单元应力在虚应变上所做的功等于在受到静电面力作用下其在虚位移上做的功，即可得薄膜系统的形面控制模型[KL+KNL]{X}={FD+FE}，其中[KL]和[KNL]分别是薄膜结构的线性及非线性刚度阵，{X}是节点位移向量，{FD}和{FE}分别是外扰及静电面力的载荷向量；
步骤207：结束建立薄膜反射面形面控制模型，获得节点变形与外扰和静电面力载荷的关系。
3.根据权利要求1所述的一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：所述的步骤104，包括如下步骤：
步骤301：进入电极位置和电压配置的优化设计。依据步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型；
步骤302：基于最小二乘法，进行电压控制策略的求解，寻找最优的电极位置和电压配置；
步骤303：根据步骤302得到的最优的配置参数，得到薄膜反射面的性能参数；
步骤304：根据步骤303得到的性能参数，得到优化目标-供电通道数ch，约束-各供电通道对应的电压
单元应力σ、形面精度RMS；
步骤305：判断是否满足优化方法的终止条件，如满足，即输出结果；如果不满足，转到步骤302，继续优化；
步骤306：输出最优的电极位置和电压配置结果；
步骤307：结束电极位置和电压配置的优化设计。
4.根据权利要求3所述的一种静电成形薄膜天线的电极布局方法，其特征是：所述的步骤302，包括如下步骤：
步骤401：进入基于最小二乘法的电压控制策略；
步骤402：根据步骤102设置的初始电极位置和电压配置和步骤103建立的薄膜反射面形面控制模型，利用ANSYS软件计算在外载荷FD下的节点变形；
步骤403：调整电极位置及电压配置；
步骤404：再次计算反射面的各项性能参数，包括单元应力σ，形面精度RMS等；
步骤405：判断是否满足形面精度RMS最小，如满足，即输出结果；如果不满足，转到步骤402，寻找更优的配置方式；
步骤406：输出最优的电压配置结果；
步骤407：结束基于最小二乘法的电压控制策略。
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| CN103678810B (zh) | 2017-01-25 |
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