[发明专利]基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法

摘要

本发明公开了一种基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，具体步骤包括：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程；(4)索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型；(6)结构与电磁灵敏度计算；(7)计算Hessian矩阵；(8)更新索段长度；(9)结构与电磁重分析；(10)判断是否满足收敛条件；(11)输出圆极化网状天线结构设计方案。本发明基于机电集成优化的概念，采用结构与电磁灵敏度分析的方法考虑了索网结构参数对天线电性能的影响，从机电集成的角度实现圆极化网状天线高指向精度设计。

主权项

1.基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含圆极化网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量、索张力许用值的结构参数，包含工作波长、馈源参数、主轴方向系数下限要求、指向精度要求的电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息以圆极化网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的圆极化网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为高指向精度设计的初始结构，获得包含节点、单元、连接关系在内的圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程根据圆极化网状天线结构信息中的节点、单元与连接关系，建立圆极化网状天线结构平衡方程其中，Tit表示由节点i与节点t构成的单元it上的索张力，lit为单元it长度，下标it表示由节点i与节点t构成的单元，xi，yi，zi和xt，yt，zt分别为节点i和节点t在x，y，z三个方向上的坐标，Σ表示围绕节点t进行叠加运算；(4)索张力优化设计根据结构平衡方程，对处于理想状态下的圆极化网状天线进行索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型根据圆极化网状天线结构参数与电参数，以主轴方向系数为目标函数，以索段长度为设计变量，以主轴方向系数下限要求、高指向精度要求与索张力许用值为约束函数，建立圆极化网状天线高指向精度设计的机电集成优化模型：find L＝[L1,L2,…,Lm]Tmin ‑Ds.t. D≥Dθ0≥θ其中，L为圆极化网状天线索段长度列向量，上标T为转置运算符号，L_m为第m根索段长度，m为索段总数，D为圆极化网状天线主轴方向系数，D为主轴方向系数下限值，θ₀为圆极化网状天线指向精度，θ为指向精度要求，T为结构参数中索张力列向量，T、分别为索张力列向量下限、上限值，L、分别为索段长度列向量下限、上限值；(6)结构与电磁灵敏度计算针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，得到圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量其中，K为经过结构与电磁灵敏度分析后得到的圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，上标T为转置运算符号，G为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(7)计算Hessian矩阵针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵其中，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，Ht为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的Hessian矩阵；(8)更新索段长度将优化模型中的目标函数相对索段长度进行二次展开，约束函数进行一次展开，将优化模型转化为二次规划形式，find ΔL＝[ΔL1,ΔL2,…,ΔLm]Ts.t. KTΔL≥D‑D0‑KvΔL≤‑T其中，ΔL为索段长度列向量增量，ΔL_m为第m根索段长度增量，m为索段总数，上标T表示转置运算，D₀为理想状态下的圆极化网状天线主轴方向系数，K为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，D为主轴方向系数下限值，K_v为索张力列向量对索段长度列向量的灵敏度矩阵，T、分别为索张力列向量下限、上限值，ΔL、分别为索段长度列向量增量的下限、上限值；对优化模型进行求解，设ΔL(i)为第i次迭代求解得到的索段长度列向量增量，那么索段长度更新为L(i+1)＝L(i)+ΔL(i)其中，L(i)为第i次迭代时的索段长度列向量，L(i+1)为下一次，即第i+1次的索段长度列向量；(9)结构与电磁重分析将更新后的索段长度列向量代入圆极化网状天线结构中，对此时的圆极化网状天线进行结构与电磁重分析，获得圆极化网状天线的结构性能与包含主轴方向系数、指向精度在内的电性能；(10)判断是否满足收敛条件判断圆极化网状天线电性能是否满足主轴方向系数下限要求与指向精度要求，满足要求则转至步骤(11)，不满足要求，则转至步骤(6)；(11)输出圆极化网状天线结构设计方案输出优化后得到的圆极化网状天线索段长度数据。