[发明专利]一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法，用于调整赋形双反射面天线的波束指向，使天线电性能达到最优。

背景技术

大型天线在诸如深空探测、天文观测以及战略远程预警等领域占据着重要地位。天线在重力载荷、温度载荷以及风荷等的作用下，会发生结构变形使反射面偏离电设计所要求的形状，同时使天线的波束指向偏离天线原先设计方向，从而对天线的电性能产生严重影响。随着天线口径的增大、工作波段的提高以及天线探测距离的增加，这种影响更加明显。随着反射面板的精度不断提高，在实际制造过程中很难达到所需的精度，而在以前只需通过Ruze公式来确定加工表面的均方根误差。随着天线对指向等电性能要求的不断提高，由可容忍的增益误差简单的计算出的加工表面均方根误差，在制造过程中，也变得越来越难以实现。

近年来，国内外诸多学者和专家提出了多种反射面变形补偿方法，用于解决因反射面天线的变形而造成的天线波束指向偏离及电性能下降的问题。大口径反射面天线补偿的方法主要包括机械补偿和电子补偿两大类方法，机械补偿又分为主反射面补偿法、副反射面补偿法、和可变形平板补偿；电子补偿主要为馈源阵列补偿。上述每种补偿方法都有各自的优缺点，比如主动面补偿方法，主要用于高指向精度天线，但由于需要安装作动器及相关配套设备，使天线的机械结构更加复杂，不仅增大了天线结构自身的重量，而且导致研制和维护成本明显上升。对于副反射面补偿方法，虽然操作简单，不需要增加复杂的机械结构，但是由于大型天线在投入使用前会针对重力等因素对副反射面进行预调整，在天线正式投入运行后，该预调量与热变形导致的天线电性能下降所需的副反射面调整量之间的关系复杂，实际操作中难度较大。但对于指向调整方法，由于其只需要调整天线伺服系统的方位俯仰角度，其操作方便、无需增添额外机械结构，而且不需要考虑天线其他因素引起调整量，目前在许多大型天线中得到广泛应用。在已有的一些与天线热变形补偿相关的专利及论文中，比如西安电子科技大学机电科技研究所的专利申请号为201310393515.8，发明名称为《一种热变形大型双反射面天线的副面位置补偿方法》，只能用于常规双反射面天线电性能中增益的补偿，而对赋形双反射面天线波束指向的补偿，其无能为力。此外，已有的论文《大型雷达天线保型设计与机电综合优化》中提到的赋形反射面天线变形计算方法，虽然该方法在对赋形面进行了拟合与吻合处理后，适用于赋形双反射面天线，但是需要通过焦线匹配才能确定副反射面位置，该过程比较繁琐，应用到实际的工程中具有一定的难度。

因此，有必要根据天线结构和面板的温度分布信息，对其进行分析，进而得到天线主反射面板及天线副反射面撑腿的变形情况，然后根据天线主反射面的变形参数及天线副反射面位姿的变化参数来确定变形后天线波束指向的偏差量，通过坐标转换得到天线波束指向调整量，用于指导天线调整其伺服系统的方位俯仰角，进而补偿天线电性能，这一过程即为一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法。

发明内容

针对以前的补偿方法存在的不足，本发明提供了一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法，该方法主要解决大型赋形双反射面天线因热变形引起的波束指向偏差问题，通过调整天线伺服系统的方位俯仰角来改善天线的电性能。

为了实现上述目的，本发明提供的补偿方法包括如下步骤：

(1)根据大型赋形双反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，在ANSYS软件中建立未变形赋形双反射面天线结构有限元模型，提取天线有限元模型中未变形赋形主反射面的节点坐标、单元信息和副反射面的节点坐标和单元信息；

(2)用分段抛物面去拟合未变形赋形双反射面天线主反射面，通过计算得到未变形赋形双反射面天线主反射面的分段拟合面；

(3)根据大型赋形双反射面天线所处环境的温度分布，在ANSYS软件中对未变形赋形双反射面天线有限元模型加载温度载荷，然后计算在该温度分布下的变形赋形双反射面天线有限元模型中的各个节点坐标，以及副反射面的转动角度及其顶点的位移量。

(4)将大型赋形双反射面天线主反射面的分段拟合面整体平移、旋转，同时将每段拟合面进行焦距变化和轴向移动去吻合变形后的天线主反射面，利用遗传算法，优化计算得到大型赋形双反射面天线主反射面的最佳分段吻合面；

(5)根据计算得到的变形后天线主反射面的最佳吻合面，假设在副反射面和馈源位置都不发变化的情况下，基于反射面天线的机电耦合模型，计算天线主反射面因热变形导致的天线指向所在局部坐标系的xoz平面和yoz平面的偏差。