[发明专利]一种可展开抛物面天线前索网结构的形态设计方法

说明书

本发明提供了一种可展开抛物面天线前索网结构的形态设计方法，1.确定天线前索网面的基本几何参数；2.生成前索网面，并对其进行初始网格划分得到前索网形态设计的初始构型；3.对前索网面内索段施加等张力，使用力密度迭代法找形得到初始找形后的前索网；4.选取有效反射面并将其连接于桁架上；5.用极小范数法求边界索张力；6.用节点坐标优化法进一步优化前索网面找形结果，该方法以“形”找“态”和以“态”找“形”方法相结合有效地减小了前索网结构的最大张力比，改善了前索网张力的均匀性，确保天线具有良好的射频性能，该方法同时适用于偏置抛物面天线和旋转抛物面天线。

技术领域

本发明涉及雷达天线技术领域，具体涉及一种可展开抛物面天线前索网结构的形态设计方法。

背景技术

在现代卫星通信领域中，大型空间可展开天线技术已经成为了一项关键技术。现代空间可展开天线技术朝着大口径、轻质地、高精度方向发展。周边桁架可展开网状天线因具备这些优点，已经成为了这方面研究的热门，并且在过去的几十年中已经取得了一定的发展。其主要结构分为：环形支撑桁架、前索网面、后索网面、金属反射网面。环形桁架就有较大的刚度和较高的稳定性，在天线展开时为索网结构提供支撑。前索网面和后索网面通过竖向拉索相连，并且提供竖向的拉力，从而使索网结构张紧。金属反射网附着于前索网面的后面，通过将索网面划分为一系列小三角形面片实现对金属反射网的定形。由于索网绳索的张力要不金属反射网绳索的张力大的多，所以可以忽略金属反射网对天线形面的影响，而只考虑索网结构的形态。

在设计周边桁架可展开网状天线时，有两个一般性的要求：首先是天线的形面精度要求。天线的形面精度取决于金属反射网上三角形面片的大小和形状，而三角面片的形状大小又取决于前索网结构的形态。因此，对前索网结构进行形态设计提升天线的工作性能极为重要。其次是索网张力的均匀性要求。环形桁架可展开抛物面天线绝大多数安装在卫星上，在轨运行时，受到太空环境温度变化的影响，索网结构张力的均匀性将直接影响天线反射面形面精度。现在业内普遍使用最大张力比(索网结构绳索段最大张力与最小张力的比值)来衡量张力的均匀性。

Thomson于1999年在IUTAM-IASS会议上提出的“测地线索网”，然而在设计索网天线时并不存在真实的“测地线索网”。TiberT在2002年的论文《Deployable TensegriTySTrucTures for Space ApplicaTions》中所阐述的研究测地线索网理由为：绳索沿着抛物面的测地线分布时在反射面表面施加横向载荷不会影响绳索的位置。然而，等间距节点沿着反射面的圆周分布，与边界相连的绳索不一定相较于一点。TiberT还提出准测地线索网，旨在使索网结构的绳索总长最小。但是，TiberT 的论文中所生成的索网结构形态是纯粹的几何的，未考虑最终预紧力的分布。尽管TiberT在2003的论文《OpTimal Design ofTensionTruss AnTennas》中提到了索网张力均匀性的重要性，但在实际的索网结构设计过程中，却很少关注索网张力的分布状况。其主要研究目的是寻找一个均匀的平面几何结构，该结构上的每条绳索都有相等的力密度，然后将该几何结构投影到理想的抛物面。

MorTerolle在2012年的论文《Numerical form-finding of geoTensoid TensionTruss for mesh reflecTor》中提出了一种使用等张力对索网结构形态进行计算的数值找形方法。他认为索网结构的张力均匀，才可以找到绳索的最小长度，从而使索网结构的质量最小。因为具有等张力的索网的边界节点的要多于环形桁架的挂接节点数目，所以引入了锚定线，通过求解节点的力平衡方程，求出锚定线的拉力，然而，所求锚定线拉力变化范围较大，这直接影响了整个索网结构张力的均匀性。

中国专利申请201710032497.9：基于天线电性能优化策略，使用节点坐标优化法对可展开抛物面天线轴向坐标进行优化；以可展开抛物面天线照度加权型面误差的均方根δ₀为目标函数，以索网面内部节点为设计变量，以边界节点固定为约束条件，达到索网面照度加权型面误差的最小值目的。

发明内容