[发明专利]基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法。用于指导天线的结构设计、性能仿真分析与评价。 

背景技术

随着通信、射电天文事业的发展，面天线正在向高频段、大口径的方向发展。大型面天线结构是典型的机电一体化结构，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。 

由于大型面天线的设计、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100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效率降低、副瓣电平变高、方向性变差等。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。由于现有技术中无法确定天线结构变形与电性能之间的定量关系，导致天线结构设计时必然存在机电分离的问题。 

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： 

(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。如在J.S.Liu，L.Hollaway.Integrated structure-electromagnetic optimization of large reflector antenna systems.Structuraland Multidisciplinary Optimization，VOL.16，NO.1，July1998中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。 

 (2)利用天线反射面变形函数，得到各节点对天线电场的贡献，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 ofperiodic and aperiodic surface distortions on membrane reflector antennas.IEEE Trans.Antennas and Propagation，VOL.53，NO.9，September 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。 

(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，再分析天线的机电性能。 

发明内容

本发明的目的是避免上述现有技术方法的不足，提出一种基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法，指导天线结构的机电一体化设计，以降低设计成本、提高天线机电综合性能。 

实现本发明目的的技术方案是，基于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，对变形反射面进行拟合，并计算天线表面法向误差及该法相误差导致的口径面的相位误差，计算天线远区电场分布，绘制天线远区电场的方向图，进行面天线机电性能综合分析。具体过程如下： 

(1)根据天线的反射面板、背架、中心体结构参数，确定天线结构有限元模型，得到反射面采样节点的理论坐标P(x_i，y_i，z_i)；