本發(fā)明屬于雷達天線
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及雷達天線領(lǐng)域中的一種基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法。
背景技術(shù)：
：網(wǎng)狀反射面天線由于其質(zhì)量輕、收攏體積小等優(yōu)點被逐漸應(yīng)用于空間天線設(shè)計中。網(wǎng)狀反射面天線在軌運行過程中，周期性地受到太空輻射熱影響，熱變形引起的天線表面變形對天線的電性能產(chǎn)生很大影響。熱變形帶來的天線表面誤差將引起天線增益下降、副瓣電平上升、波束傾斜，嚴(yán)重影響天線的工作性能。因此，有必要從機電耦合的角度出發(fā)，針對空間網(wǎng)狀反射面天線在軌運行受到的溫度載荷進行分析，并提出基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法，進而預(yù)測空間網(wǎng)狀反射面天線在軌環(huán)境下溫度載荷對天線電性能的影響，指導(dǎo)電性能分析與機電集成優(yōu)化設(shè)計。段寶巖等在中國專利“大型地基面天線的溫度載荷機電耦合分析方法”中提出了一種分析大型地基面天線的溫度載荷機電耦合分析方法。該方法以地基面天線為對象，進行溫度載荷作用下的天線電性能分析；雖然可以為空間網(wǎng)狀反射面天線提供借鑒，但無法完全適用于空間網(wǎng)狀反射面天線上。洪元、朱敏波等在中國專利“一種星載天線在軌溫度的極端工況預(yù)測方法”中，公開了一種星載天線在軌溫度的極端工況預(yù)測方法。該方法以星載天線為對象，預(yù)測星載天線處于極端工況的熱變形問題；該方法沒有考慮到天線熱變形對電性能的影響，難以預(yù)測天線在溫度載荷作用下電性能變化情況。因此，針對空間網(wǎng)狀反射面天線在軌受溫度載荷影響的問題，需要從機電耦合的角度出發(fā)，針對空間網(wǎng)狀反射面天線在軌運行受到的溫度載荷進行分析，并提出基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法，進而指導(dǎo)電性能分析與機電集成優(yōu)化設(shè)計。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法。該方法基于機電耦合模型，從機電耦合的角度出發(fā)分析溫度載荷作用下的空間網(wǎng)狀反射面天線電性能，并指導(dǎo)空間網(wǎng)狀反射面天線在軌電性能分析與機電集成優(yōu)化設(shè)計。本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法，包括如下步驟：(1)輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)與電參數(shù)輸入用戶提供的空間網(wǎng)狀反射面天線的幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及電參數(shù)；其中幾何參數(shù)包括口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離；材料參數(shù)包括索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比以及比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、表面輻射率、吸收率；電參數(shù)包括工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖以及電性能要求，其中電性能要求包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平以及指向精度；(2)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型根據(jù)用戶提供的天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型，其中索結(jié)構(gòu)采用只受拉的桿單元進行建模，桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元進行建模，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用殼單元進行建模；(3)建立天線熱有限元模型在天線結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，提取天線結(jié)構(gòu)有限元模型中的節(jié)點坐標(biāo)和桿單元、梁單元與殼單元的連接關(guān)系，根據(jù)索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的熱參數(shù)，分別按照空間網(wǎng)狀反射面天線的桿單元、梁單元以及殼單元建立天線熱有限元模型；(4)設(shè)置邊界條件根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線所處的太空環(huán)境，設(shè)置熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種導(dǎo)熱方式，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)的索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)各部分之間的關(guān)系以及索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)各部分之間的輻射吸熱、遮擋關(guān)系，添加熱有限元模型的邊界條件；(5)選擇軌道根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線所在衛(wèi)星的軌道高度，設(shè)置網(wǎng)狀天線的軌道參數(shù)；(6)溫度場計算根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線熱有限元模型、邊界條件以及軌道參數(shù)，進行天線溫度場計算；(7)加載溫度場載荷將溫度場計算結(jié)果作為熱載荷施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上，進行靜態(tài)的熱變形計算；(8)熱變形計算在結(jié)構(gòu)有限元模型施加熱載荷的基礎(chǔ)上，組集有限元剛度矩陣，得到天線結(jié)構(gòu)整體熱位移場計算方程，依據(jù)此方程進行天線結(jié)構(gòu)熱變形計算：[K]{δ}＝{FQ}其中，[K]為整體剛度矩陣，{δ}為整體空間熱位移列向量，{FQ}為整體節(jié)點熱載荷列向量；(9)輸出熱變形位移；(10)計算面片相位誤差；(11)采用機電耦合模型計算天線遠區(qū)電場；(12)判斷電性能是否滿足要求判斷步驟(11)得到的天線遠區(qū)電場是否滿足天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內(nèi)的電性能要求，如果滿足要求則轉(zhuǎn)至步驟(13)，否則轉(zhuǎn)至步驟(14)；(13)輸出天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方案當(dāng)天線遠區(qū)電場滿足天線電性能要求時，輸出天線結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)；(14)更新天線參數(shù)當(dāng)天線遠區(qū)電場不滿足天線電性能要求時，在現(xiàn)有天線參數(shù)的基礎(chǔ)上疊加較小增量來代替現(xiàn)有天線參數(shù)，并轉(zhuǎn)至步驟(1)。上述步驟(9)中，將天線結(jié)構(gòu)熱變形計算得到的整體空間熱位移列向量輸出到指定文件，以便進行后續(xù)電性能計算。上述步驟(10)中，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)熱變形位移，采用下式計算天線反射面面片相位誤差：其中，表示面片相位誤差，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，δ表示熱變形位移列向量中與面片對應(yīng)的一個分量，θs表示面片上任一點在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)s表示饋源坐標(biāo)系，θ表示遠場觀察點俯仰角。上述步驟(11)中，在獲得面片相位誤差的基礎(chǔ)上，采用下式的機電耦合模型計算天線遠區(qū)電場：其中，表示遠區(qū)電場，表示遠場觀察點位置矢量，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，R表示遠場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位并矢，表示單位矢量的并矢，Σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠場觀察點的單位矢量，表示步驟(10)得到的面片相位誤差，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首先輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)與電參數(shù)信息，根據(jù)幾何參數(shù)、材料參數(shù)信息建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型；其次，在天線結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，結(jié)合天線材料參數(shù)建立天線熱有限元模型，并根據(jù)天線所處的太空環(huán)境，設(shè)置邊界條件、選擇軌道參數(shù)，進行溫度場計算；再次，將溫度場計算結(jié)果作為外載荷施加到天線結(jié)構(gòu)有限元模型上，進行靜態(tài)熱變形計算，輸出天線熱變形位移；最終，依據(jù)熱變形位移計算反射面面片相位誤差，采用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能，并以此進行在軌電性能分析與機電集成優(yōu)化設(shè)計。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1.本發(fā)明基于機電耦合模型，從天線結(jié)構(gòu)有限元模型出發(fā)，建立天線熱有限元模型，進行靜態(tài)熱變形分析與反射面面片相位誤差計算，最終采用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能；2.本發(fā)明采用機電耦合模型計算溫度載荷作用下的天線電性能，可以同時兼顧天線結(jié)構(gòu)性能與電性能要求，實現(xiàn)在軌環(huán)境下的網(wǎng)狀反射面天線電性能準(zhǔn)確預(yù)測與機電集成優(yōu)化設(shè)計。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。附圖說明圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為網(wǎng)狀天線投影示意圖；圖4為理想天線與溫度載荷作用下網(wǎng)狀天線xz面遠場方向圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明具體實施方式作進一步的詳細描述：本發(fā)明提供了一種基于機電耦合模型的空間網(wǎng)狀反射面天線溫度載荷分析方法，包括如下步驟：步驟1，輸入用戶提供的包含空間網(wǎng)狀反射面天線的幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及電參數(shù)在內(nèi)的各參數(shù)，其中幾何參數(shù)包括口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離，材料參數(shù)包括索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比，以及比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、表面輻射率，吸收率，電參數(shù)包括工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖以及電性能要求，其中電性能要求包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平以及指向精度；步驟2，根據(jù)用戶提供的天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型，其中索結(jié)構(gòu)采用只受拉的桿單元進行建模、桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元進行建模，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用殼單元進行建模；步驟3，在天線結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，提取天線結(jié)構(gòu)有限元模型中的節(jié)點坐標(biāo)和桿單元、梁單元與殼單元的連接關(guān)系，根據(jù)索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的熱參數(shù)，分別按照空間網(wǎng)狀反射面天線的桿單元、梁單元以及殼單元建立天線熱有限元模型；步驟4，根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線所處的太空環(huán)境，設(shè)置熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種導(dǎo)熱方式，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)的索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)各部分之間的關(guān)系以及索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)各部分之間的輻射吸熱、遮擋關(guān)系，添加熱有限元模型的邊界條件；步驟5，根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線所在衛(wèi)星的軌道高度，設(shè)置網(wǎng)狀天線的軌道參數(shù)；步驟6，根據(jù)空間網(wǎng)狀反射面天線熱有限元模型、邊界條件與軌道參數(shù)，進行天線溫度場計算；步驟7，將溫度場計算結(jié)果作為熱載荷施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上，進行靜態(tài)的熱變形計算；步驟8，在結(jié)構(gòu)有限元模型施加熱載荷的基礎(chǔ)上，組集有限元剛度矩陣，得到天線結(jié)構(gòu)整體熱位移場計算方程，依據(jù)此方程進行天線結(jié)構(gòu)熱變形計算[K]{δ}＝{FQ}其中，[K]為整體剛度矩陣，{δ}為整體空間熱位移列向量，{FQ}為整體節(jié)點熱載荷列向量；步驟9，將天線結(jié)構(gòu)熱變形計算得到的整體空間熱位移列向量輸出到指定文件，以便為后續(xù)電性能計算；步驟10，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)熱變形位移，采用下式計算天線反射面面片相位誤差：其中，表示面片相位誤差，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，δ表示熱變形位移列向量中與面片對應(yīng)的一個分量，θs表示面片上任一點在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)s表示饋源坐標(biāo)系，θ表示遠場觀察點俯仰角；步驟11，在獲得面片相位誤差的基礎(chǔ)上，采用下式的機電耦合模型計算天線遠區(qū)電場：其中，表示遠區(qū)電場，表示遠場觀察點位置矢量，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，R表示遠場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位并矢，表示單位矢量的并矢，Σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠場觀察點的單位矢量，表示步驟10得到的面片相位誤差，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場；步驟12，判斷步驟11得到的天線遠區(qū)電場是否滿足天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內(nèi)的電性能要求，如果滿足要求則轉(zhuǎn)至步驟13，否則轉(zhuǎn)至步驟14；步驟13，當(dāng)天線遠區(qū)電場滿足天線電性能要求時，輸出天線結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)；步驟14，當(dāng)天線遠區(qū)電場不滿足天線電性能要求時，在現(xiàn)有天線參數(shù)的基礎(chǔ)上疊加較小增量來代替現(xiàn)有天線參數(shù)，并轉(zhuǎn)至步驟1。本發(fā)明的優(yōu)點可通過以下仿真實驗進一步說明：1.仿真條件：網(wǎng)狀天線最大投影口徑9.23m、焦距6m，偏置高度5m，前后網(wǎng)面最小間距0.2m，如圖2所示。工作頻率2GHz，饋源采用Cosine-Q類型饋源，極化方式為右旋圓極化，饋源參數(shù)為Qx＝Qy＝8.338，饋源傾斜角41.64度。網(wǎng)狀反射面前網(wǎng)面在口徑面內(nèi)沿半徑方向等分6段，如圖3所示，其中虛線代表周邊桁架，實線代表索網(wǎng)。索的楊氏彈性模量為E＝20GPa，索橫截面積為A＝3.14mm2，索密度為1200kg/m3，周邊桁架楊氏彈性模量為4000GPa，橫桿密度為1800kg/m3，豎桿密度為3220kg/m3，斜桿密度為1840kg/m3，橫縱豎桿均為圓形橫截面積，其中橫桿內(nèi)徑13.8mm，外徑15mm，豎桿內(nèi)徑14.4mm，外徑15.6mm，斜桿內(nèi)徑14.4mm，外徑15.6mm。2.仿真結(jié)果：采用本發(fā)明的方法進行網(wǎng)狀反射面天線處于溫度載荷作用下的變形分析，并輸出熱變形位移，計算天線電性能，進行機電集成優(yōu)化設(shè)計。理想天線方向圖與溫度載荷作用下的方向圖如圖4所示，其中虛線表示理想天線狀態(tài)，實線表示熱變形狀態(tài)。表1給出了理想天線與溫度載荷作用下天線方向圖參數(shù)。結(jié)合圖4與表1可以看出，在溫度載荷作用下，天線方向圖發(fā)生了畸變，出現(xiàn)了最大方向系數(shù)下降、副瓣上升，其中方向系數(shù)由43.35dB下降到43.06dB，副瓣電平由-28.97dB上升至-28.78dB。表1理想天線與溫度載荷作用下天線方向圖參數(shù)表最大方向系數(shù)副瓣電平半功率波瓣寬度理想天線43.35dB-28.97dB1.26度熱變形43.06dB-28.78dB1.26度綜上所述，本發(fā)明首先輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)與電參數(shù)信息，根據(jù)幾何參數(shù)、材料參數(shù)信息建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型；其次，在天線結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，結(jié)合天線材料參數(shù)建立天線熱有限元模型，并根據(jù)天線所處的太空環(huán)境，設(shè)置邊界條件、選擇軌道參數(shù)，進行溫度場計算；再次，將溫度場計算結(jié)果作為外載荷施加到天線結(jié)構(gòu)有限元模型上，進行靜態(tài)熱變形計算，輸出天線熱變形位移；最終，依據(jù)熱變形位移計算反射面面片相位誤差，采用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能，并以此進行在軌電性能分析與機電集成優(yōu)化設(shè)計。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1.本發(fā)明基于機電耦合模型，從天線結(jié)構(gòu)有限元模型出發(fā)，建立天線熱有限元模型，進行靜態(tài)熱變形分析與反射面面片相位誤差計算，最終采用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能；2.本發(fā)明采用機電耦合模型計算溫度載荷作用下的天線電性能，可以同時兼顧天線結(jié)構(gòu)性能與電性能要求，實現(xiàn)在軌環(huán)境下的網(wǎng)狀反射面天線電性能準(zhǔn)確預(yù)測與機電集成優(yōu)化設(shè)計。本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業(yè)的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3