CN106294970B - 一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，该方法首先对该天线索网反射面进行赋形设计；然后结合赋形后的网面反射面，设计上层和下层的索网结构，进而得到总体三层索网结构；其次通过对三层索网结构进行平衡预张力设计，保证了其结构的可张拉性和可实现性；最后设计了支撑三层索网的三层桁架结构，进而得到索网‑桁架整体天线结构。本发明通过将周边桁架式可展开网状天线的两层索网结构扩展为三层索网结构来实现具有赋形反射面的网状天线结构，其设计过程简明；所设计得到的赋形网状天线结构具有可张拉性，结构上易实现，具有很好的工程应用价值。

Description

一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，应用于星载网状天线的赋形波束设计。

背景技术

赋形反射面天线具有效率高、服务区相邻区域信号干扰小的特点，广泛应用于卫星通信中；同时，周边桁架式可展开网状天线由于其轻质量、收拢体积小、周期短的特点，成为了近年来备受各国宇航界关注的空间可展开天线形式；因此，很有必要研究如何基于周边桁架式可展开天线结构来实现网状反射面的赋形波束设计。

周边桁架式可展开网状天线由于其轻质量、收拢体积小、周期短的特点，成为了近年来备受各国宇航界关注的空间可展开天线形式，其结构组成主要包括可展开的周边桁架、金属反射网、前索网、后索网以及纵向调整索结构。前索网主要用于支撑所铺设的金属反射网，后索网主要起平衡作用，纵向调整索用于调节前索网，使得金属反射面形成所需要的形面。

星载赋形波束天线往往采用单馈源单反射面的结构形式，常用的赋形方法有波前法、口径场优化法、口径面栅格的场相位优化法和反射面直接展开法等。赋形波束天线的设计过程通常分为两个步骤，首先，首先从电性能要求出发，设计出理想的赋形反射面，然后再通过结构设计来实现具有赋形反射面的天线结构。对于面天线而言，设计出理想的赋形反射面形状后，结构设计很容易实现具有该赋形反射面的天线结构；然而，星载网状天线结构属于张拉成形结构，要依靠索网的张紧力自平衡来保证反射面的形面，仅仅从电性能出发设计得到的赋形反射面，对于网状天线而言，结构上可能难以实现。因此，如何通过结构设计来实现具有赋形反射面的网状天线结构，存在很大的困难。

Shuxin Zhang在2014年的论文《Sensitivity analysis of faceted reflectorantennas and a contour beam synthesis technology》中基于灵敏度分析方法对平面拼合反射面进行了赋形研究，文中假定反射面节点的x、y坐标保持不变，通过设计z坐标来满足电性能要求，该方法得到的赋形索网反射面是凹凸不平的，对于现存的网状天线形式而言，结构上是无法通过张拉实现的。

H.Tanaka在2006年的论文《Design optimization studies for large-scalecontoured beam deployable satellite antennas》中对周边桁架式网状天线进行了赋形研究，该方法将索网的赋形分为两步：首先，从电性能出发采用平面波方法设计理想的赋形面；然后，设计索网反射面使其尽可能去逼近理想赋形面。该方法设计过程繁杂，而且赋形能力很有限。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，该方法将周边桁架式可展开网状天线的两层索网结构扩展为三层索网结构，既能保证中间层索网的形状为凹凸不平的赋形反射面，又能保证整体结构的可张拉性和可实现性。

本发明的技术方案是：一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，包括如下步骤：

步骤101：确定网状天线反射面的基本电参数和几何参数，包括确定天线的工作频率f，天线的光学口径D、反射面焦距F、反射面偏置距离p以及天线高度H；

步骤102：确定具有赋形要求的区域所对应的天线远场观测点(AZ_i,EL_i)和赋形区域的增益要求D_i≥D^obj(i＝1～N_far)；其中，(AZ_i,EL_i)表示第i个远场观测点的角度坐标，D_i为第i个远场观测点处的增益值，D^obj为赋形区域所要求的目标增益值，N_far为远场观测点数目；

步骤103：生成索网偏置抛物面：首先，根据现有的偏置抛物面切割技术，得到偏置抛物反射面的初始几何形状；然后，对偏置抛物反射面进行初始索网网格划分，划分为辐射状网格、三向网格或者准测地线网格形式，将其作为索网赋形设计的初始拓扑构型，并将对应的节点坐标信息和索段拓扑连接关系信息整理成固定格式的数据文件；

步骤104：建立并求解网状反射面赋形波束设计的优化模型，得到赋形网状反射面；

步骤105：设计具有赋形网状反射面的三层索网结构；

步骤106：确定三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布；

步骤107：设计用于支撑三层索网结构的环形桁架结构；

步骤108：确定索网-桁架整体天线结构模型；综合步骤105和步骤107，得到赋形设计后的索网-桁架整体结构；

步骤109：结束赋形网状天线的结构设计。

上述的步骤104，包括如下步骤：

步骤201：确定设计变量：在天线局部坐标系oxyz中，将索网反射面所有内部自由节点的z坐标相对于初始位置的变化量作为设计变量，即Δz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T，其中，n为索网反射面自由节点的总数目；T为矩阵转置符号；

步骤202：确定目标函数：进行网状反射面的赋形设计时，需要满足远场电性能指标，目标目标函数如下：

步骤203：确定约束条件：需要满足的约束条件如下：

1)设计变量的上、下限约束，即满足

0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

式中，Δz_max为Δz_j的上限值；

2)赋形后的远场观测点增益值，应满足

D_i≥D,(i＝1～N_far)

式中，D为远场观测点增益的下限值；

步骤204：建立优化模型：综合步骤201～步骤203，优化模型如下：

Find Δz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T

S.t.0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

D_i≥D,(i＝1～N_far)

步骤205：求解优化模型：采用遗传算法等优化算法求解步骤204中建立的优化模型，得到赋形设计后的反射面节点z坐标的变化量，进而得到赋形网状反射面。

上述的步骤105，包括如下步骤：

步骤301：确定上层和下层索网结构的几何参数，包括：上层索网的口径D_up、下层索网的口径D_down、上层索网的焦距F_up和下层索网的焦距F_down；

步骤302：设计下层索网结构：首先，下层索网结构的单元拓扑连接关系与反射面索网完全一致；然后，在天线局部坐标系中，下层索网的所有节点的x、y坐标与反射面节点完全相同；其次，下层索网节点的z坐标根据下层索网的抛物面方程来确定；

步骤303：设计上层索网结构：首先，确定上层索网结构的单元拓扑连接关系，上层索网的边界支撑点数目与反射面索网相同，索网的分环数取为反射面索网分环数的一半；然后，根据三向网格生成方式，确定上层索网的几何构型；

步骤304：设计反射面索网和下层索网之间的拉索：将反射面索网和下层索网的内部自由节点对应相连，即可得到反射面索网和下层索网之间的拉索单元；

步骤305：设计上层索网和反射面索网之间的拉索：由于反射面索网节点数目比上层索网节点数目多，则根据就近原则，将反射面索网节点和上层索网的节点连接起来，即可得到上层和反射面索网之间的拉索单元；

步骤306：确定整体三层索网结构：综合步骤302～305，即可得到整体三层索网结构。

上述的步骤106，包括如下步骤：

步骤401：确定设计变量：将整体索网所有索单元的张力作为设计变量，即T＝[T₁,T₂…,T_m]^T，其中，m为索单元的总数目；

步骤402：确定目标函数：为了追求索网结构的张力分布最均匀，以整体索网结构的最大张力值比最小张力值作为设计目标函数：

f＝T_max/T_min

式中，T_max和T_min分别表示整体索网结构的最大张力值和最小张力值；

步骤403：确定约束条件：所有的索单元必须处于张紧状态，需满足

T_j≥T,(j＝1～m)

式中，T为索单元张力的下限值；

步骤404：建立优化模型：综合步骤401～步骤403，优化模型如下：

Find T＝[T₁,T₂…,T_m]^T

Min f＝T_max/T_min

S.t.T_j≥T,(j＝1～m)

步骤405：求解优化模型：采用遗传算法等优化算法求解步骤404中建立的优化模型，即可得到三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布情况。

上述的步骤107，包括如下步骤：

步骤501：设计两层环形桁架结构，即设计传统周边桁架式网状可展开天线的桁架结构，用来支撑反射面层和下层的索网结构；

步骤502：基于步骤501得到的桁架结构，设计出支撑上层索网的桁架结构，进而得到整体三层桁架结构。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：1)通过将周边桁架式可展开网状天线的两层索网结构扩展为三层索网结构来实现具有赋形反射面的网状天线结构，设计过程简明；2)所设计得到的赋形网状天线结构具有可张拉性，结构上易实现，具有很好的工程应用价值。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法总体流程图；

图2建立并求解网状反射面赋形设计优化模型流程图；

图3设计具有赋形网状反射面的三层索网结构流程图；

图4确定三层索网结构的平衡预张力流程图；

图5设计支撑三层索网的环形桁架结构流程图；

图6赋形设计中具有增益要求的远场观测区域示意图；

图7偏置抛物面天线前后网面生成方式示意图；

图8赋形前的反射面索网结构正视图；

图9赋形前后的反射面索网结构俯视图；

图10赋形后的反射面索网结构正视图。

图11下层索网结构正视图。

图12上层索网结构正视图。

图13上层索网结构俯视图。

图14具有赋形索网反射面的总体三层索网结构正视图。

图15支撑反射面索网和下层索网的两层环形桁架结构图。

图16支撑三层索网结构的三层环形桁架结构图。

图17赋形设计后的索网-桁架整体结构正视图。

图18赋形设计后的索网-桁架整体结构俯视图。

图19仿真算例中赋形后的网状天线远场增益等高线图。

附图标记说明：1、反射面索网；2、上层索网；3、下层索网；4、反射面索网和上层索网之间的拉索单元；5、反射面索网和下层索网之间的拉索单元。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，它是通过将周边桁架式可展开网状天线的两层索网结构扩展为三层索网结构来实现具有赋形反射面的网状天线结构的设计方法，包括如下步骤：

步骤101：确定网状天线反射面的基本电参数和几何参数，包括：天线的工作频率f，天线的光学口径D、反射面焦距F、反射面偏置距离p，天线高度H；

步骤102：确定具有赋形要求的区域所对应的天线远场观测点(AZ_i,EL_i)和赋形区域的增益要求D_i≥D^obj(i＝1～N_far)；其中，(AZ_i,EL_i)表示第i个远场观测点的角度坐标，其中AZ表示方位角，EL表示俯仰角，D_i为第i个远场观测点处的增益值，D^obj为赋形区域所要求的目标增益值，N_far为远场观测点数目；某天线赋形区域及观测点如图6所示，该区域被离散为73个远场观测点，覆盖了美国本土地图；

步骤103：生成索网偏置抛物面。首先，根据现有的偏置抛物面切割技术，得到偏置抛物反射面的初始几何形状；天线反射面的生成方式如图7所示，其中，OXYZ为天线全局坐标系，oxyz为索网天线局部坐标系；在天线局部坐标系oxyz中，对反射面进行初始索网网格划分，可划分为辐射状网格、三向网格或者准测地线网格形式，将其作为索网赋形设计的初始拓扑构型，并将对应的节点坐标信息和索段拓扑连接关系信息整理成固定格式的数据文件；如图8和图9所示，将反射面索网化分成三向网格形式；

步骤104：建立并求解网状反射面赋形波束设计的优化模型，得到赋形网状反射面；

步骤105：设计具有赋形网状反射面的三层索网结构；

步骤106：确定三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布；

步骤107：设计用于支撑三层索网结构的环形桁架结构；

步骤108：确定索网-桁架整体天线结构模型。综合步骤105和步骤107，得到赋形设计后的索网-桁架整体结构，如图17和图18所示；

步骤109：结束赋形网状天线的结构设计。

如图2所示，所述的步骤104建立并求解网状反射面赋形波束设计的优化模型，得到赋形网状反射面，具体涉及如下步骤：

步骤201：确定设计变量。在天线局部坐标系oxyz中，将索网反射面所有内部自由节点的z坐标相对于初始位置的变化量作为设计变量，即Δz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T，其中，n为索网反射面自由节点的总数目；

步骤202：确定目标函数。进行网状反射面的赋形设计时，需要尽可能满足远场电性能指标，目标目标函数如下：

步骤203：确定约束条件。需要满足的约束条件如下：

1)设计变量的上下限约束，即满足

0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

式中，Δz_max为Δz_j的上限值；

2)赋形后的远场观测点增益值，应满足

D_i≥D,(i＝1～N_far)

式中，D为远场观测点增益的下限值；

步骤204：建立优化模型。综合步骤201～步骤203，优化模型如下：

Find Δz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T

S.t.0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

D_i≥D,(i＝1～N_far)

步骤205：求解优化模型。采用遗传算法等优化算法求解步骤204中建立的优化模型，得到赋形设计后的反射面节点z坐标的变化量；

步骤206：根据步骤205的优化结果，确定赋形后的索网反射面；如图10所示。

如图3所示，所述的步骤105设计具有赋形网状反射面的三层索网结构，具体涉及如下步骤：

步骤301：确定上层和下层索网结构的几何参数，包括：上层索网的口径D_up、下层索网的口径D_down、上层索网的焦距F_up和下层索网的焦距F_down；

步骤302：设计下层索网结构。首先，下层索网结构的单元拓扑连接关系与反射面索网完全一致；然后，在天线局部坐标系oxyz中，下层索网的所有节点的x、y坐标与反射面节点完全相同，在oxy平面内的投影如图9所示；其次，下层索网节点的z坐标则根据下层索网的抛物面方程来确定；设计得到的下层索网如图11所示；

步骤303：设计上层索网结构。首先，确定上层索网结构的单元拓扑连接关系，上层索网的边界支撑点数目与反射面索网相同，索网的分环数取为反射面索网分环数的一半；然后，根据三向网格生成方式，确定上层索网的几何构型，如图12和图13所示；

步骤304：设计反射面索网1和下层索网3之间的拉索。将反射面索网1和下层索网3的内部自由节点对应相连，即可得到反射面索网和下层索网之间的拉索单元5，如图14所示；

步骤305：设计上层索网2和反射面索网1之间的拉索。由于反射面索网1节点数目比上层索网2节点数目多，因此，根据就近原则，将反射面索网1节点和上层索网2的节点连接起来，即可得到反射面索网和上层索网之间的拉索单元4，如图14所示；

步骤306：确定整体三层索网结构。综合上述步骤302～305，即可得到整体三层索网结构，如图14所示。

如图4所示，所述的步骤106确定三层索网结构张拉平衡态下的预张力分布，具体涉及如下步骤：

步骤401：确定设计变量。将整体索网所有索单元的张力作为设计变量，即T＝[T₁,T₂…,T_m]^T，其中，m为索单元的总数目；

步骤402：确定目标函数。为了追求索网结构的张力分布最均匀，以整体索网结构的最大张力比最小作为设计目标函数：

f＝T_max/T_min

式中，T_max和T_min分别表示所有索单元张力的最大和最小值；

步骤403：确定约束条件。所有的索单元必须处于张紧状态，需满足

T_j≥T,(j＝1～m)

式中，T为索单元张力的下限值；

步骤404：建立优化模型。综合步骤401～步骤403，优化模型如下：

Find T＝[T₁,T₂…,T_m]^T

Min f＝T_max/T_min

S.t.T_j≥T,(j＝1～m)

步骤405：求解优化模型。采用遗传算法等优化算法求解步骤404中建立的优化模型；

步骤406：根据步骤405的优化结果，确定三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布情况。

如图5所示，所述的步骤107设计用于支撑三层索网结构的桁架结构，具体涉及如下步骤：

步骤501：设计两层环形桁架结构，即设计传统周边桁架式网状可展开天线的桁架结构，来支撑反射面层和下层的索网结构，如图15所示；

步骤502：基于步骤501得到的桁架结构，设计出支撑上层索网的桁架结构，进而得到整体三层桁架结构，如图16所示。

与现有技术相比，本发明的优点是：1)通过将周边桁架式可展开网状天线的两层索网结构扩展为三层索网结构来实现具有赋形反射面的网状天线结构，设计过程简明；2)所设计得到的赋形网状天线结构具有可张拉性，结构上易实现，具有很好的工程应用价值。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真条件：

天线物理口径为2.5米，前索网焦距为2.5米，前索网偏置距离为1.55米，天线桁架总高度为0.45米，天线的工作频率为3GHz；网状天线反射面的初始构型如图8和图9所示；具有远场增益要求的远场观测区域如图6所示，该区域内的目标增益为D^obj＝28dB，远场观测点数目为N_far＝73。

采用本发明的方法，首先，对该天线索网反射面进行赋形设计；然后，结合赋形后的网面反射面，设计上层和下层的索网结构，进而得到总体三层索网结构；其次，设计了支撑三层索网的三层桁架结构，进而得到了索网-桁架整体天线结构。

2.仿真结果：

赋形设计后的索网反射面如图9和图10所示，其远场增益等高线图如图19所示；赋形设计后的索网-桁架整体天线结构模型如图17和图18所示；赋形后的天线索网结构的平衡态索力数据如表1所示。

表1赋形后的网状天线索网平衡态预张力结果

由图10可知，赋形设计后的索网反射面为凹凸不平的网面，必须通过设计三层索网结构才能保证其结构的可张拉性；由图19可知，通过本方法得到的赋形网状天线很好地满足了远场增益的要求；由表1数据可以看出，对于赋形后的网状天线结构而言，结构上是可张拉的，且其张力水平能够满足工程实际的要求。

上述仿真数值试验证明，采用本发明可合理有效地设计出具有赋形波束的新型网状天线结构。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤101：确定网状天线反射面的基本电参数和几何参数，包括确定天线的工作频率f，天线的光学口径D、反射面焦距F、反射面偏置距离p以及天线高度H；

步骤102：确定具有赋形要求的区域所对应的天线远场观测点(AZ_i,EL_i)和赋形区域的增益要求D_i≥D^obj(i＝1～N_far)；其中，(AZ_i,EL_i)表示第i个远场观测点的角度坐标，D_i为第i个远场观测点处的增益值，D^obj为赋形区域所要求的目标增益值，N_far为远场观测点数目；

步骤103：生成索网偏置抛物面：首先，根据现有的偏置抛物面切割技术，得到偏置抛物反射面的初始几何形状；然后，对偏置抛物反射面进行初始索网网格划分，划分为辐射状网格、三向网格或者准测地线网格形式，将其作为索网赋形设计的初始拓扑构型，并将对应的节点坐标信息和索段拓扑连接关系信息整理成固定格式的数据文件；

步骤104：建立并求解网状反射面赋形波束设计的优化模型，得到赋形网状反射面；

步骤105：设计具有赋形网状反射面的三层索网结构；

步骤106：确定三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布；

步骤107：设计用于支撑三层索网结构的环形桁架结构；

步骤108：确定索网-桁架整体天线结构模型；综合步骤105和步骤107，得到赋形设计后的索网-桁架整体结构；

步骤109：结束赋形网状天线的结构设计；

所述的步骤104，包括如下步骤：

步骤201：确定设计变量：在天线局部坐标系oxyz中，将索网反射面所有内部自由节点的z坐标相对于初始位置的变化量作为设计变量，即Δz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T，其中，n为索网反射面自由节点的总数目；T为矩阵转置符号；

步骤202：确定目标函数：进行网状反射面的赋形设计时，需要满足远场电性能指标，目标目标函数如下：

步骤203：确定约束条件：需要满足的约束条件如下：

1)设计变量的上、下限约束，即满足

0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

式中，Δz_max为Δz_j的上限值；

2)赋形后的远场观测点增益值，应满足

D_i≥D,(i＝1～N_far)

式中，D为远场观测点增益的下限值；

步骤204：建立优化模型：综合步骤201～步骤203，优化模型如下：

FindΔz＝[Δz₁,Δz₂…,Δz_n]^T

S.t.0≤Δz_j≤Δz_max,(j＝1～n)

D_i≥D,(i＝1～N_far)

步骤205：求解优化模型：采用遗传算法这种优化算法求解步骤204中建立的优化模型，得到赋形设计后的反射面节点z坐标的变化量，进而得到赋形网状反射面。

2.根据权利要求1所述的一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，其特征是：

所述的步骤105，包括如下步骤：

步骤301：确定上层和下层索网结构的几何参数，包括：上层索网的口径D_up、下层索网的口径D_down、上层索网的焦距F_up和下层索网的焦距F_down；

步骤302：设计下层索网结构：首先，下层索网结构的单元拓扑连接关系与反射面索网完全一致；然后，在天线局部坐标系中，下层索网的所有节点的x、y坐标与反射面节点完全相同；其次，下层索网节点的z坐标根据下层索网的抛物面方程来确定；

步骤303：设计上层索网结构：首先，确定上层索网结构的单元拓扑连接关系，上层索网的边界支撑点数目与反射面索网相同，索网的分环数取为反射面索网分环数的一半；然后，根据三向网格生成方式，确定上层索网的几何构型；

步骤304：设计反射面索网和下层索网之间的拉索：将反射面索网和下层索网的内部自由节点对应相连，即可得到反射面索网和下层索网之间的拉索单元；

步骤305：设计上层索网和反射面索网之间的拉索：由于反射面索网节点数目比上层索网节点数目多，则根据就近原则，将反射面索网节点和上层索网的节点连接起来，即可得到上层和反射面索网之间的拉索单元；

步骤306：确定整体三层索网结构：综合步骤302～305，即可得到整体三层索网结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，其特征是：所述的步骤106，包括如下步骤：

步骤401：确定设计变量：将整体索网所有索单元的张力作为设计变量，即T＝[T₁,T₂…,T_m]^T，其中，m为索单元的总数目；

步骤402：确定目标函数：为了追求索网结构的张力分布最均匀，以整体索网结构的最大张力值比最小张力值作为设计目标函数：

f＝T_max/T_min

式中，T_max和T_min分别表示整体索网结构的最大张力值和最小张力值；

步骤403：确定约束条件：所有的索单元必须处于张紧状态，需满足

T_j≥T,(j＝1～m)

式中，T为索单元张力的下限值；

步骤404：建立优化模型：综合步骤401～步骤403，优化模型如下：

Find T＝[T₁,T₂…,T_m]^T

Min f＝T_max/T_min

S.t.T_j≥T,(j＝1～m)

步骤405：求解优化模型：采用遗传算法这种优化算法求解步骤404中建立的优化模型，即可得到三层索网结构在张拉平衡状态下的预张力分布情况。

4.根据权利要求1所述的一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，其特征是：

所述的步骤107，包括如下步骤：

步骤501：设计两层环形桁架结构，即设计传统周边桁架式网状可展开天线的桁架结构，用来支撑反射面层和下层的索网结构；

步骤502：基于步骤501得到的桁架结构，设计出支撑上层索网的桁架结构，进而得到整体三层桁架结构。