[发明专利]最优焦距下伞状天线机电集成优化设计方法

摘要

本发明公开了一种最优焦距下伞状天线机电集成优化设计方法，包括：输入伞状天线几何参数、材料参数与电参数；计算伞状天线最优焦距；计算最优焦距下理想天线远区电场；计算天线肋的分段数；计算肋上点的坐标；计算相邻肋间点的坐标；生成伞状天线所有节点坐标；建立最优焦距下伞状天线结构有限元模型；生成最优焦距下总体电性能一阶、二阶系数矩阵；求解最优焦距下的结构有限元模型；近似计算最优焦距下伞状天线远区电场变化量；计算最优焦距下伞状天线远区电场；判断电性能是否满足要求；输出天线结构设计方案；更新天线参数。本发明考虑伞状天线面片拼合特点，基于二阶近似计算公式获得最优焦距下电性能，可提高机电集成优化设计效率。

主权项

1.最优焦距下伞状天线机电集成优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入伞状天线几何参数、材料参数与电参数输入用户提供的伞状天线几何参数、材料参数与电参数；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离和肋数；材料参数包括索结构、背架肋结构和金属丝网结构的尺寸、材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比和天线载荷参数；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；(2)计算伞状天线最优焦距根据用户提供的天线几何参数，按照下式计算伞状天线最优焦距：其中，f_s表示伞状天线最优焦距，下标s表示区别于理想天线的伞状天线，f表示用户输入的伞状天线几何参数中的焦距，π表示圆周率，N表示肋数；(3)计算最优焦距下理想天线远区电场根据伞状天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，将馈源平移至最优焦距位置处，采用物理光学法计算最优焦距下理想天线远区电场；(4)根据用户提供的天线几何参数与电参数计算天线肋的分段数；(5)根据用户提供的天线几何参数与肋的分段数，计算肋上点的坐标；(6)计算相邻肋间点的坐标根据相邻肋构成抛物柱面的特性，结合肋上点坐标计算相邻肋间点的坐标；根据伞状天线圆形口径的闭合特性，计算第N根肋与第1根肋构成的肋间点的坐标；(7)生成伞状天线所有节点坐标将计算得到的肋上点坐标、相邻肋间点的坐标与原点坐标合并在一起，并按照伞状天线最优焦距位置，将伞状天线沿z方向整体平移至最优焦距对应的位置，按照下式得到最优焦距下伞状天线所有节点坐标：x′_p＝x_py′_p＝y_pz′_p＝z_p‑f_s其中，x_p、y_p、z_p分别表示平移之前伞状天线第p个节点x向、y向、z向坐标，下标p表示节点在所有节点中的编号，x′_p、y′_p、z′_p分别表示平移之后，位于最优焦距下的伞状天线第p个节点x向、y向、z向坐标，f_s为伞状天线最优焦距，下标s表示区别于理想天线的伞状天线；(8)建立最优焦距下伞状天线结构有限元模型根据用户提供的天线几何参数、材料参数以及最优焦距下伞状天线所有节点坐标，建立最优焦距下伞状天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，背架肋结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(9)生成最优焦距下总体电性能一阶、二阶系数矩阵；(10)求解最优焦距下的结构有限元模型针对已建立的伞状天线结构有限元模型，添加结构位移、自由度约束或者边界条件；根据伞状天线的载荷参数，在结构有限元模型上施加工作载荷；在此基础上，利用有限元软件对结构有限元模型进行求解，获得节点位移、单元应力；(11)近似计算最优焦距下伞状天线远区电场变化量结合结构有限元模型生成的节点位移、最优焦距下总体电性能一阶、二阶系数矩阵，通过下式近似计算最优焦距下伞状天线远区电场变化量：其中，表示最优焦距下伞状天线远区电场变化量，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对数的指数运算，R表示远场观察点位置矢量幅度，π表示圆周率，表示单位并矢，表示单位矢量的并矢，G表示总体电性能一阶系数矩阵，H表示总体电性能二阶系数矩阵，Δz表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移列向量，Δz²表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移乘积列向量；(12)计算最优焦距下伞状天线远区电场；(13)判断电性能是否满足要求判断最优焦距下伞状天线远区电场是否满足天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求，如果满足要求则转至步骤(14)，否则转至步骤(15)；(14)输出天线结构设计方案当最优焦距下伞状天线远区电场满足天线电性能要求时，输出天线结构设计方案；(15)更新天线参数当最优焦距下伞状天线远区电场不满足天线电性能要求时，更新天线参数，转至步骤(1)。