[发明专利]一种静电成形薄膜天线的电极布局方法

说明书

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ε_x，ε_y、ε_xy；

步骤204：得到薄膜反射面的应变能其中{ε_D}={ε_xD,ε_yD,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，ε_PER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[K_L+K_NL]{X}={F_D+F_E}，其中[K_L]和[K_NL]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，{F_D}和{F_E}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：