[发明专利]基于近似与灵敏度分析的反射面天线机电集成优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及雷达天线领域中的一种基于近似与灵敏度分析的反射面天线机电集成优化设计方法。

背景技术

反射面天线广泛应用在通信、雷达、射电天文学、微波通信、卫星通信和跟踪以及遥感等各个领域。反射面天线结构是典型的机电一体化结构，其机械结构性能与电性能相互影响、相互制约。为了设计出高性能的反射面天线，需要从学科交叉、机电集成的角度出发，对反射面天线进行机电集成设计。

段宝岩等人在中国专利“基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法”中，公开了一种基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法。该方法利用实际变形面构造一相近的拟合变形反射面，并在拟合变形反射面上进行电性能计算。但该方法存在的不足是，采用拟合变形反射面代替实际反射面进行电性能计算，其计算量比较大；同时，由于该方法无法提供较为准确的优化迭代搜索方向，使得优化迭代费时，优化时间较长。郑飞等人在中国专利“基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法”中，公开了一种基于误差因素的反射面天线机电综合分析方法。该方法通过将结构网格转化为电磁分析网格，进行电性能计算。但该方法同样存在计算时间长，无法提供较为准确的优化迭代搜索方向，优化迭代耗时的问题。因此有必要针对上述方法计算时间长、迭代搜索方向不准确的问题，进行基于近似与灵敏度分析的反射面天线机电集成优化设计方法研究。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于近似与灵敏度分析的反射面天线机电集成优化设计方法。通过采用近似计算方法获得变形反射面天线远区电场，通过灵敏度信息构建优化迭代搜索方向，进而实现反射面天线机电集成优化设计。

本发明的技术方案是：基于近似与灵敏度分析的反射面天线机电集成优化设计方法，包括如下步骤：

(1)输入反射面天线结构参数和电参数

输入用户提供的反射面天线的结构参数和电参数信息，其中结构参数包含口径、焦距、反射面板尺寸与厚度参数、背架辐射梁尺寸与截面参数、中心体尺寸参数和载荷参数，电参数包含工作波长、馈源总辐射功率参数和要求的电性能参数；

(2)建立机电集成优化模型

从反射面天线结构参数信息中提取反射面背架辐射梁尺寸与截面参数，将背架辐射梁尺寸与截面参数作为优化模型的设计变量，以反射面天线要求的电性能参数为目标函数，依此建立反射面天线机电集成优化设计模型：

Find x＝{x₁,x₂,…,x_M}^T

Min D(x)

s.t. G(x)≤0

其中，Find表示迭代运算，x表示结构设计参数列向量，x₁、x₂、...、x_M依次表示编号为1、2、...、M的结构设计参数，M表示结构设计参数总数，上标T表示向量转置运算；Min表示最小化运算，D(x)表示反射面天线要求的电性能参数，s.t.表示约束运算，G(x)表示根据设计要求添加的约束函数；

(3)建立结构有限元模型

根据用户提供的结构参数，计算节点坐标，并根据天线反射面板、背架辐射梁、中心体的结构参数选择梁单元、壳单元，获得梁单元和壳单元的尺寸、截面与厚度，利用有限元软件建立结构有限元模型；

(4)求解结构有限元模型

针对已建立的结构有限元模型，添加结构位移、自由度约束或者边界条件；根据反射面天线的载荷参数，在结构有限元模型上施加工作载荷；在此基础上，利用有限元软件生成结构刚度矩阵，对结构有限元模型进行求解，获得节点位移、单元应力；

(5)采用近似方法计算远区电场

在步骤(3)和步骤(4)的基础上，采用近似方法计算远区电场；

(6)判断电性能指标是否满足要求

判断远区电场是否满足用户在步骤(1)中指定的电性能要求，如果满足要求，则转至步骤(11)，否则转至步骤(7)；

(7)结构灵敏度分析

在步骤(4)的基础上，计算节点位移对结构设计参数的灵敏度，通过下式获得：

其中，表示节点位移对结构设计参数的灵敏度，U表示步骤(4)生成的节点位移列向量，x表示结构设计参数列向量，表示求偏导数运算，K表示步骤(4)生成的结构刚度矩阵，上标-1表示矩阵求逆运算，P表示步骤(4)中的工作载荷列向量；

(8)电性能灵敏度分析