[发明专利]赋形网状天线的反射面网格拓扑构型设计方法

说明书

本发明公开了一种赋形网状天线的反射面网格拓扑构型设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，确定网状天线反射面的基本电参数和几何参数；步骤2，确定具有赋形要求的区域所对应的天线远场观测点和赋形区域的增益要求；步骤3，根据偏置抛物面的初始几何形状，通过网格划分生成网状反射面的初始几何构型；步骤4，建立并求解网状反射面赋形波束设计的优化模型，得到赋形网状反射面；步骤5，判断步骤4得到的赋形网状反射面是否满足赋形区域的远场电性能要求；步骤6，输出各个迭代步中能够满足电性能要求的赋形反射面构型，其中反射面节点数目最少的构型即为赋形网状反射面的最优几何拓扑构型。本发明使得赋形网状天线的反射面结构复杂度最低。

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，涉及一种赋形网状天线的反射面网格拓扑构型设计方法。

背景技术

在卫星通信、侦察等应用中，为了提高能量的利用效率并满足特殊方向图形状的要求，往往要求星载天线具有赋形波束，即波束可准确覆盖所要求的任何地面形状。星载天线一般采用“赋形反射面-单馈源”方案来实现满足要求的赋形波束，即仅使用一个馈源，通过赋形反射面设计，改变电磁波相位分布，将笔形波束转变为赋形波束。另一方面，周边桁架式可展开网状天线作为一种典型的星载可展开天线，由于其口径大、质量轻、结构稳定性好等特点而备受欢迎。因此，很有必要研究如何基于周边桁架式可展开天线结构来实现网状反射面的赋形波束设计。

周边桁架式可展开网状天线近年来备受各国宇航界关注，其结构组成主要包括可展开的周边桁架、金属反射网、前索网、后索网以及纵向调整索结构。前索网主要用于支撑所铺设的金属反射网，后索网主要起平衡作用，纵向调整索用于调节前索网，使得金属反射面形成所需要的形面。网状反射面并非连续光滑曲面，是由一系列平面片拼合而形成抛物面形状。通常，反射面网格的尺寸越小、数目越大，越有利于天线的远场电性能。然而，这会增大网状天线的结构复杂度，不利于整体结构的轻量化和可靠性。因此，如何通过设计赋形网状反射面的几何拓扑构型，使得在满足电性能要求的条件下结构复杂度尽可能低，存在一定的困难。

H.Tanaka在2006年的论文《Design optimization studies for large-scalecontoured beam deployable satellite antennas》中对周边桁架式网状天线进行了赋形研究，该方法将索网的赋形分为两步：首先，从电性能出发采用平面波方法设计理想的赋形面；然后，设计网状反射面使其尽可能去逼近理想赋形面。该方法设计过程繁杂，而且赋形能力很有限。

G.Yang在2018年的论文《A Design Approach for AstroMesh-Type Contoured-Beam Reflector Antennas》中，首先对平面拼合网状反射面进行了波束赋形设计，文中针对给定的反射面初始网格拓扑构型，假定反射面节点的x、y坐标保持不变，通过设计z坐标来满足电性能要求。然后，对AstroMesh网状天线方案进行了结构改进，通过增加辅助支撑结构来有效地支撑“凹凸”的赋形网状反射面。然而，设计得到的网状反射面尚存在冗余索单元，文中未讨论如何设计网状反射面的几何拓扑构型以实现结构的轻量化。

发明内容

本发明的目的是提供一种赋形网状天线的反射面网格拓扑构型设计方法，该方法基于拓扑优化思想，在满足电性能要求的条件下，通过设计反射面节点的数目和节点坐标，使得赋形网状天线的反射面结构复杂度最低，实现结构轻量化。

本发明所采用的技术方案是，赋形网状天线的反射面网格拓扑构型设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，确定网状天线反射面的基本电参数和几何参数，包括：天线的工作频带的中心频率值f₀，工作频率区间[f_l,f_u]，天线的光学口径D、反射面焦距F、反射面偏置距离p；