CN112329289B - 一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，它涉及反射面天线分析技术领域，旨在提供一种高精度、简便化和实用性强的计算方法。本发明计算方法主要包括以下过程：建立天线有限元模型并计算不同方向上的温度梯度分布，经解算后得到固体场结果，再进行表面精度的分析与合成；对反射面和馈源变形数据进行处理以及电磁分析，实现了反射面天线从热力场到固体场和电磁场的耦合。本发明与现有的技术相比，具有精度高、周期短和数据处理简便的特点，特别适合于各类反射面天线的设计、指标预算和校核。
Description
技术领域
本发明涉及反射面天线分析技术领域，特别是指一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，可用于单反射面天线或双反射面天线的热力场或温度场、固体场和电磁场的耦合计算，尤其适用于反射面天线的指标预算和性能分析。
背景技术
反射面天线因具有强方向性而广泛用于通信、测控和射电天文领域中。反射面天线，特别是工作于高频段的反射面天线，在设计论证过程中，要精确预算其各项技术指标，其中，最关键的是温度对天线表面精度的影响及其综合电气性能。
天线在运行过程中主要承受重力、风力和温度等载荷，对于重力载荷的分析，由于只涉及到固体场的计算，已经能够得到较好的解决；而温度载荷的分析涉及到热力场和固体场耦合问题，一直以来，没有得到很好地解决，这是由于：①温度载荷作用在天线上，影响因素非常多，例如太阳的位置，天线站址的海拔高度，天线所使用的材料，天线的表面涂覆，天线周围的风力，天线的姿态等；②天线所受的温度载荷很难用理论来计算，因为在给定条件下的连续性偏微分方程和能量偏微分方程的求解，会变得非常困难；③热力场、固体场和电磁场分属三个专业领域，没有进行很好的统一。
随着现代天文观测的新需求，反射面天线向着大口径、高精度和高频段方向发展。这就要求工程师能够在设计阶段准确预算天线的指标，而耦合场的分析将直接影响到天线的关键性能，主要涉及到天线的表面精度、效率和方向图等。另外，反射面天线的温度梯度分布也是设计过程中面临的问题。
在传统的热固电磁三场耦合计算中，工程师往往根据已有教科书或文献中所给出的少数几个天线示例，进行粗略的分析。这种方法仅是一些初步的性能估算，对于大型高精度的反射面天线来说，该方法会使计算结果误差非常大，不能真实地反映三场耦合问题，存在以下缺陷：
(1)所给数据仅是个别天线的实测值，不具备普遍性。对于工程中出现的不同口径、不同类型、不同地理位置、不同材料的反射面天线，缺少可参考数值。
(2)现有文献所给出的温度场数值仿真分析过于繁琐，特别是为了减小计算量，对模型进行了大量的简化，而且对于热分析过程中的传导、辐射和对流等方面，做了很多假设，致使计算结果可信度降低。
(3)一些文献中提及了采用温度传感器来测定天线温度，但该方法在设计论证阶段不具备可操作性。
(4)现有技术没有给出三场耦合分析方法。仅有个别反射面天线，通过实际测量方法，给出了热力场或温度场对电磁场的影响结果。
公开号为CN107391786A的中国专利公开了一种冷藏运输车车厢内温度场的计算机模拟方法；公开号为CN104794277A的中国专利公开了一种橡胶块的生热和传热模型的仿真模拟方法；公开号为CN104899379A的中国专利公开了一种电力电缆的温度场有限元计算方法；公开号为CN107391786A的中国专利公开了一种基于实测数据的卫星温度场赋值方法。上述的四种方法虽然能够解决单一的热力场或温度场的分析计算，但对于反射面天线的热力场、固体场和电磁场的耦合计算来说，存在以下不足：
(1)只是单一场分析。上述几种方法，只是提供了对热力场进行单一场分析的方法，没有涉及多场之间的耦合关系。
(2)均需通过建模来分析温度场。由于在建模过程中的诸多不确定性，以及环境等因素的影响，会导致计算结果的误差增大。
(3)对于通过实测数据来确定温度场的方法，不适应于工程的设计开发阶段。
公开号为CN104217061A的中国专利公开了一种配电柜的温度场仿真设计方法；公开号为CN106557598A的中国专利公开了一种飞行器的气动燃油温度场耦合分析方法；公开号为CN110378005A的中国专利公开了一种机床床身热特性分析的建模方法。上述几种方法虽然在各自领域中实现了一定程度的耦合场分析，但对于反射面天线的热固电磁耦合场计算来说，存在以下不足：
(1)没有给出温度梯度与结构尺寸之间的关系。反射面天线的温度场分布与外形尺寸紧密相关，上述方法中均没有涉及温度梯度与结构尺寸之间的数值关系。
(2)上述方法均采用了软件现有流程。反射面天线结构组成和运行环境复杂，使得软件的现有流程使用受限。
(3)上述几种方法的应用背景与反射面天线分属不同领域，其方法和流程均不能满足反射面天线的性能分析。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，该方法运用现代数值计算手段，通过给定不同方向上的温度梯度分布，表面精度的分析与合成，反射面和馈源变形数据处理以及电磁分析，实现了反射面天线从热力场到固体场和电磁场的耦合。本发明与现有的技术相比，具有精度高、周期短和数据处理简便的特点，特别适合于各类反射面天线的设计、指标预算和校核。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，包括如下步骤：
(1)确定反射面天线的工作仰角；
(2)在FEA(有限元分析)软件中建立天线有限元模型；
(3)在步骤(2)中的有限元模型建立合适的坐标系OXYZ；
(4)确定步骤(2)中的有限元模型在坐标系OXYZ下的三个方向上的最大物理尺寸，分别记为，L、W和H；
(5)给定在步骤(4)中所确定的三个最大物理尺寸方向上的温度差值，分别记为TL、TW和TH；
(6)分别计算在三个方向上的温度梯度分布，如下式：
以上三式中，GL为L方向上的温度梯度分布；GW为W方向上的温度梯度分布；GH为H方向上的温度梯度分布；
(7)将步骤(6)所得到的三种温度梯度分布施加到步骤(2)中的有限元模型上面；
(8)对步骤(2)中的有限元模式设定边界条件，给出材料特性参数，分别建立三种温度梯度的分析工况；
(9)在FEA软件中对有限元模型进行求解，得到反射面天线的固体场结果；
(10)根据步骤(9)所得到的固体场结果，导出三种分析工况的反射面和馈源变形数据；
(11)将反射面变形数据进行最佳吻合处理，得到三种温度梯度的天线表面精度，分别记为σL、σW和σH；
(12)将步骤(11)所得到的天线表面精度进行合成，如下式：
式中，σ为天线总表面精度；
(13)将步骤(10)中三种分析工况的反射面和馈源变形数据结果进行合成，如下式：
Δi＝ΔiL+ΔiW+ΔiH
式中，Δi为反射面或馈源上第i点的合成位移；ΔiL、ΔiW和ΔiH分别为反射面或馈源上第i点的L、W和H温度梯度上的位移，如下式：
式中，xi、yi和zi分别为反射面或馈源上第i点合成位移的x、y和z三个方向上的分量；xiL、yiL、ziL、xiW、yiW、ziW、xiH、yiH和ziH分别为三种温度梯度工况位移的x、y和z三个方向上的分量；
(14)将步骤(13)中反射面和馈源变形数据合成结果Δi导入到高频电磁EDA软件中，并确定反射面曲面边界；
(15)在EDA软件中对反射面数据点进行插值处理，形成连续的反射面；
(16)在EDA软件中设定计算参数：
(16a)反射面材料采用金属导体；坐标系建立在主反射面顶点位置；设定计算频率；
(16b)采用高斯波束馈源进行计算，设置馈源照射角和边缘照射电平值；
(16c)电磁分析模式采用物理光学结合物理绕射理论；
(17)根据步骤(14)～(16)所建立的模型和参数设置，对反射面天线进行求解，得到电磁计算结果；
(18)重复上述(1)～(17)步骤，得到反射面天线在不同工作仰角和不同温度梯度的热固电磁耦合场计算结果。
具体的，所述步骤(2)天线有限元模型至少包含天线背架、座架和馈源。
具体的，所述步骤(4)中的最大物理尺寸单位与步骤(2)中的有限元模型单位一致。
具体的，所述步骤(8)中的材料特性参数包括线膨胀系数，分析工况为三种温度梯度分布。
具体的，所述步骤(9)中的有限元模型进行求解，采用静力学分析，固体场结果包括位移和应力信息。
具体的，所述步骤(10)中的反射面和馈源变形数据为矢量结果，包括X、Y和Z三个方向上的分量。
具体的，所述步骤(15)中的数据点插值处理为平方插值，也可以采用立方插值。
具体的，所述步骤(17)中的电磁计算结果包括幅度方向图、交叉极化方向图和相位方向图。
本发明与背景技术相比具有如下有益效果：
(1)实现了热力场、固体场和电磁场的耦合计算。给出了反射面天线的热固电磁三场耦合分析方法，实现了从热力场到电磁场的转化，确定了天线在热力场中的温度梯度分布方法，准确地得到反射面天线在热力场中所产生的位移、应力和表面精度以及最终的电气性能。
(2)补充了教科书和现有文献中的数据不足。教科书和现有文献中所给出的数据，仅为有限个口径的天线温度数值，不能满足工程设计需求，而且，温度数值也没有反映出梯度分布。本发明所给出的计算方法，适合于任何口径的反射面天线，特别是当天线变换姿态时，同样能够满足分析需求。
(3)方法具有普遍性。传统的计算方法仅是针对圆对称反射面天线，对于其它类型天线，如偏置反射面天线和异形口径的天线，传统方法则不能解决。本发明所提出的方法，不仅适用于圆对称反射面天线，而且同样适用于偏置类天线和其它异形口径的天线。
(4)耦合方法可操作性强。本发明给出了温度梯度的分布、天线表面精度的合成以及变形数据处理等详细步骤，具有可操作性强的特点。克服了背景技术中只是罗列一些偏微分方程，不能解决复杂工程问题的不足。
(5)节约成本和提高效率。背景技术中所采用的方法为实测方法，实验费用高、周期长，数据处理复杂。本发明为数值计算方法，能够有效地节约成本和减小周期，而且，数据处理简单方便。
总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统反射面天线热固电磁耦合场计算不准确、缺少实测数据的问题，又有效地节约了成本和减小了设计周期，是对现有技术的一种重要改进。
附图说明
图1是本发明实施例的总体流程图；
图2是本发明实施例中步骤3中的圆对称反射面天线的坐标系示意图；
图3是本发明实施例中步骤3中的偏置反射面天线的坐标系示意图；
图4是本发明实施例中步骤7中的圆对称反射面天线温度梯度分布示意图；
图5是本发明实施例中步骤7中的偏置反射面天线温度梯度分布示意图；
图6是本发明实施例中步骤9中的圆对称反射面天线的固体场计算结果；
图7是本发明实施例中步骤9中的偏置反射面天线的固体场计算结果；
图8是本发明实施例中步骤12中的天线在不同工作仰角表面精度计算结果；
图9是本发明实施例中步骤15中的反射面天线模型；
图10是本发明实施例中步骤17中的反射面天线电磁计算结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本实施例以圆对称反射面天线和偏置双反射面天线为示例，总体流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)确定反射面天线的工作仰角。
实施例中天线的工作仰角为5°～90°。
(2)在FEA软件中建立天线有限元模型。
FEA软件可以采用如：Ansys、Patran、HyperMesh等。
(3)在步骤(2)中的有限元模型建立合适的坐标系OXYZ。
图2是实施例中的圆对称反射面天线的坐标系示意图；图3是实施例中的偏置反射面天线的坐标系示意图。
(4)确定步骤(2)中的有限元模型在坐标系OXYZ下的三个方向上的最大物理尺寸，分别记为，L、W和H。
(5)给定在步骤(4)中所确定的三个最大物理尺寸方向上的温度差值，分别记为TL、TW和TH。
(6)分别计算在三个方向上的温度梯度分布，如下式：
以上三式中，GL为L方向上的温度梯度分布；GW为W方向上的温度梯度分布；GH为H方向上的温度梯度分布。
(7)将步骤(6)所得到的三种温度梯度分布施加到步骤(2)中的有限元模型上面。
图4是实施例中的圆对称反射面天线温度梯度分布示意图；图5是实施例中的偏置反射面天线温度梯度分布示意图。
(8)对步骤(2)中的有限元模式设定边界条件，给出材料特性参数，分别建立三种温度梯度的分析工况。
(9)在FEA软件中对有限元模型进行求解，得到反射面天线的固体场结果。
图6是实施例中的圆对称反射面天线的固体场计算结果；图7是实施例中的偏置反射面天线的固体场计算结果。
(10)根据步骤(9)所得到的固体场结果，导出三种分析工况的反射面和馈源变形数据。
(11)将反射面变形数据进行最佳吻合处理，得到三种温度梯度的天线表面精度，分别记为σL、σW和σH。
(12)将步骤(11)所得到的天线表面精度进行合成，如下式：
式中，σ为天线总表面精度。
(13)将步骤(10)中三种分析工况的反射面和馈源变形数据结果进行合成，如下式：
Δi＝ΔiL+ΔiW+ΔiH
式中，Δi为反射面或馈源上第i点的合成位移；ΔiL、ΔiW和ΔiH分别为反射面或馈源上第i点的L、W和H温度梯度上的位移，如下式：
式中，xi、yi和zi分别为反射面或馈源上第i点合成位移的x、y和z三个方向上的分量；xiL、yiL、ziL、xiW、yiW、ziW、xiH、yiH和ziH分别为三种温度梯度工况位移的x、y和z三个方向上的分量。
(14)将步骤(13)中反射面和馈源变形数据合成结果Δi导入到高频电磁EDA软件中，并确定反射面曲面边界。
(15)在EDA软件中对反射面数据点进行插值处理，形成连续的反射面。
图9是实施例中的反射面天线模型。
(16)在EDA软件中设定计算参数：
(16a)反射面材料采用金属导体；坐标系建立在主反射面顶点位置；设定计算频率；
(16b)采用高斯波束馈源进行计算，设置馈源照射角和边缘照射电平值；
(16c)电磁分析模式采用物理光学结合物理绕射理论。
(17)根据步骤(14)～(16)所建立的模型和参数设置，对反射面天线进行求解，得到电磁计算结果。
图10是实施例中的反射面天线电磁计算结果。
(18)重复上述(1)～(17)步骤，得到反射面天线在不同工作仰角和不同温度梯度的热固电磁耦合场计算结果。
在本实施例中，天线有限元模型至少包含天线背架、座架和馈源。
在本实施例中，步骤(4)中的最大物理尺寸单位与步骤(2)中的有限元模型单位一致。
在本实施例中，步骤(8)中的材料特性参数包括线膨胀系数，分析工况为三种温度梯度分布。
在本实施例中，步骤(9)中的有限元模型进行求解，采用静力学分析，固体场结果包括位移和应力信息。
在本实施例中，步骤(10)中的反射面和馈源变形数据为矢量结果，包括X、Y和Z三个方向上的分量。
在本实施例中，步骤(15)中的数据点插值处理为平方插值，也可以采用立方插值。
在本实施例中，步骤(17)中的电磁计算结果包括幅度方向图、交叉极化方向图和相位方向图。
以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定反射面天线的工作仰角；
(2)在有限元分析软件中建立天线有限元模型；
(3)对步骤(2)中的有限元模型建立坐标系OXYZ；
(4)确定步骤(2)中的有限元模型在坐标系OXYZ下的三个方向上的最大物理尺寸，分别记为，L、W和H；
(5)给定在步骤(4)中所确定的三个最大物理尺寸方向上的温度差值，分别记为TL、TW和TH；
(6)分别计算在三个方向上的温度梯度分布：
以上三式中，GL为L方向上的温度梯度分布；GW为W方向上的温度梯度分布；GH为H方向上的温度梯度分布；
(7)将步骤(6)所得到的三种温度梯度分布施加到步骤(2)中的有限元模型上面；
(8)对步骤(2)中的有限元模型 设定边界条件，给出材料特性参数，分别建立三种温度梯度的分析工况；
(9)在有限元分析软件中对有限元模型进行求解，得到反射面天线的固体场结果；
(10)根据步骤(9)所得到的固体场结果，导出三种分析工况的反射面和馈源变形数据；
(11)将反射面变形数据进行最佳吻合处理，得到三种温度梯度的天线表面精度，分别记为σL、σW和σH；
(12)将步骤(11)所得到的天线表面精度进行合成，如下式：
式中，σ为天线总表面精度；
(13)将步骤(10)中三种分析工况的反射面和馈源变形数据结果进行合成：
Δi＝ΔiL+ΔiW+ΔiH
式中，Δi为反射面或馈源上第i点的合成位移；ΔiL、ΔiW和ΔiH分别为反射面或馈源上第i点的L、W和H温度梯度上的位移，如下式：
式中，xi、yi和zi分别为反射面或馈源上第i点合成位移的x、y和z三个方向上的分量；xiL、yiL、ziL、xiW、yiW、ziW、xiH、yiH和ziH分别为三种温度梯度工况位移的x、y和z三个方向上的分量；
(14)将步骤(13)中反射面和馈源变形数据合成结果Δi导入到高频电磁EDA软件中，并确定反射面曲面边界；
(15)在EDA软件中对反射面数据点进行插值处理，形成连续的反射面；
(16)在EDA软件中设定计算参数：
(16a)反射面材料采用金属导体；坐标系建立在主反射面顶点位置；设定计算频率；
(16b)采用高斯波束馈源进行计算，设置馈源照射角和边缘照射电平值；
(16c)电磁分析模式采用物理光学结合物理绕射理论；
(17)根据步骤(14)～(16)所建立的模型和参数设置，对反射面天线进行求解，得到电磁计算结果；
(18)重复上述(1)～(17)步骤，得到反射面天线在不同工作仰角和不同温度梯度的热固电磁耦合场计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中的天线有限元模型至少包含天线背架、座架和馈源。
3.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中的最大物理尺寸单位与步骤(2)中的有限元模型单位一致。
4.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(8)中的材料特性参数包括线膨胀系数，分析工况为三种温度梯度分布。
5.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(9)中，采用静力学分析对有限元模型进行求解，得到的固体场结果包括位移和应力信息。
6.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(10)中的反射面和馈源变形数据为矢量，包括X、Y和Z三个方向上的分量。
7.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(15)中数据点的插值处理为平方插值或立方插值。
8.根据权利要求1所述的一种反射面天线的热固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，所述步骤(17)中的电磁计算结果包括幅度方向图、交叉极化方向图和相位方向图。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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