专利名称：大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法
技术领域：
本发明涉及一种大型地基面天线分析方法，特别是大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法。
背景技术：
国际上的大口径天线有很多，多数用于天文观测。射电天文望远镜的工作频段可能达到100-300GHZ，面精度要求达到微米级，必须采用合理的热控措施。主动措施包括加天线罩保护，或者在背架上加空调系统，以降低天线的温度梯度。被动措施如表面喷涂高反射率的涂料以减少热吸收。同时实时监控天线温度和变形，配合可调副面，以保证电性能指标。主动措施的成本较高，由于有空调系统，这样的天线在热分析时，一般从环境温度出发， 而不直接考虑太阳照射的影响。对于未采用主动热控措施的天线，就必须考虑太阳照射对天线的影响。有研究表明，深空网天线阵使用的6米天线，使用液压整体成形技术，加工精度较高，但是在无风环境中太阳照射的温度变形达到0. 2mm,占总精度要求的三分之一。而对中国500m 口径的巨型射电望远镜的日照温度场分析表明，尽管采用主动反射面结构，在考虑微风环境下的温度变形仍然达到2mm，占总精度要求的40%。可见太阳照射的影响还是比较大的。因而有必要研究地基面天线在太阳照射下产生的热变形对天线电性能影响。
发明内容
本发明的目的是针对大型地基面天线，提供一种大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，以便分析天线在仰天时，受环境、太阳辐射和温度变形对电性能的影响。大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是它包括如下步骤
1)确定天线所处的时间、地理位置和姿态；
2)计算天线受到来自太阳的热流密度；
3)将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；
4)将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形；
5)提取天线主面变形，计算天线远场方向6)给出增益损失，指向误差，副瓣电平。所述的确定天线所处的时间、地理位置和姿态，其中，地理位置用经度和纬度表述，时间是北京时间，天线姿态用天线单元表面与水平面的夹角表述。所述的天线工作仰角一般是20度到70度。所述的地面上的天线受到太阳的照射主要由三部分组成直接辐射、散射辐射和反射辐射，
所述的直接辐射强度是 Id =^expf-BZsinoi)
反射辐射强度是I7 = (C + sin a.jA exp(-Blsin Qi5)
散射辐射强度是 I1 - CA (- S / sin Ctj)
式中，A为大气质量为零时的太阳辐射强度，单位if.^2，B为大气消光系数，C为散射辐射系数，碼为太阳高度角，它随位置、日期和时间变化； 该模型中A、B、C三个系数可由以下公式得到，
5=0.2051-4.0357x10^ x^+3.519xl0"3 X^ J= q(l+ 110 34 cos(2^7365)} -1,9832 xlCT7x +2. E939xVrm xi^f
C= 7.8763x10^-4.218x10^ χ /+1.99 Ix IO-jXi^ -UOTxlO^x^ + liOaxlO^x^
式中Cs为太阳常数，表示在地球大气层上界垂直于太阳表面的太阳辐射强度，约为 1370表示当前日期在一年中的序号。天线以一定仰角工作时，天线表面与太阳照射方向是有一定角度的，此时的三种辐射分别为，
直接辐射 Gd = CmId cos a,
散射辐射
Gi - 0.5(1+ Cosa6) I5 反射辐射
I-Cos^
gV = / ---17
式中，Qr为大气清洁度，考虑到天线安装地点的大气质量较好，可取值1，％为太阳
光线与被照平面的夹角，^为被照表面与水平面的夹角，Ps为环境的反射率，草地一般取 0. 2，混凝土地面取0. 33。所述的将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布包括如下过程；
1)建立温度分析模型
地基的面天线包括了传导、对流和辐射全部三种传热形式 传导的表述为
an
其中ft为传导的热流密度1 2, .t为导热率》iZ^I), 377 为沿某方向的温度梯
度；
对流的表述为qe 二略-功
其中&为对流的热流密度, 2, κ为表面对流换热系数^2O ,“力固体表面温
度即天线温度5力流体表面温度即空气温度； 辐射的表述为
qr=8aF(T;-T；)(13)
其中，&为辐射的热流密度，f为辐射率，金属材料可取0.8，cr为stefan-Boltzmarm
常数，为s.eixii^ir/cW1 , i 为形状系数，天线结构对大气的辐射取1， ；为辐射体温度
即天线温度， 为被辐射体温度即空气温度；
天线表面的一个单元，其满足能量守恒可以表述为 qtA^ + q rA/ - qrA/. 一 qcAct - pc VA T (14)
式中，4表示热传导的面积，λ,,4，式分别表示太阳照射、对流和辐射的面积，t表示时
间，力材料密度，C为比热，V表示系统体积，ΔΓ表示温度变化量。2)设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数
温度分析的边界条件主要是环境温度L考虑到太阳照射面和阴影面存在明显的温差，故使用阴面和阳面两种环境温度；面板辐射和对流的空气温度使用阳面温度，背架在阴影区，使用阴面温度；
天线背架结构的材料是钢，反射面的材料是铝，认为材料各向同性，物性参数可通过材料手册查到；
天线表面对流换热系数的取值与流固表面的相对速度有关，无风情况下，一般取5-20， 主面取值15，背架取值12;
温度分析时间依据温度实验数据给定，在5分钟的时间内做连续时程分析，判读测试最高温度点对应的仿真温度与实测温度的差值小于0. 2摄氏度，此时的时间就作为瞬态分析的时间；
3)通过有限元方法计算天线温度场
使用有限元方法求解，将式A = ^(”-Tf)各变量带入式(14)，并对时间求导，按
照温度r合并变量，并写成矩阵形式，可得热平衡的有限元方程 [c](f} + [r]{r} = {0(15)
式中，f为传导矩阵，包含了导热系数，对流系数、辐射率和形状系数，C为比热矩阵，主要体现单元内能,T为单元温度—分别为温度对时间的导数，Q为单元热流率，包括所有与温度无关的能量变化；
在分析程序中设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数后，即可完成式(15)的计算，得到天线表面个点的温度。所述的将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形包括如下过程使用ANSYS建立天线有限元模型，设置结构分析所需的各种材料属性。将温度分析所得到的天线表面个点的温度，作为温度载荷施加到天线结构有限元模型中对应的表面结点上。设置参考温度为23°C。通过ANSYS软件即可完成结构分析，得到天线的结构变形。所述的天线主面变形以及计算天线远场方向图包括如下过程
1)从天线结构变形中提取主面变形数据；
2)由主面变形数据计算口径面的相位分布变化；
虹是反射面表面的轴向变形即Z向变形， 为波长；
3)根据远区电场的计算公式，计算天线远区电场分布，并绘制方向图
m φι=￡ f(p'^eM^p'dpw
式中，ε表示远场某点的场值，分别为口径场的幅度和相位分布函数，r是相位差，其它相关变量如图7所示S表示反射面，F为其焦点，^为天线口径面，分别为天线俯仰角和方位角，为反射面上某点在口径面投影的极坐标； 计算天线远区一系列点的电场值，绘制成方向4)由方向图进一步提取天线的增益损失、副瓣电平和指向误差。所述的主面变形导致的增益损失为
式中，表示变形主面的远区电场值，表示未变形主面的远区电场值，两
者最大电场幅度之差即为主面变形导致的增益损失。所述的副瓣电平为
C7, ,mJ H9^-0I )
SLL=Imoa τ-1~~-Lt
式中，可敌？U)含义不变，44 表示方向图上第一副瓣出现位置的角度值，此处的归
一化电平值即为第一副瓣电平。所述的指向误差为
E 面4 = + (_，Μ)|))，·9�Η 90μ = 0 H 面φ ι = ^ ([￠(61,^! )!)),^^ [-90,90],^ = 90
式中，含义不变，在E面和H面电场最大幅度值对应的角度，即为E面和H面的指向误差。本发明的优点是由于通过确定天线所处的时间、地理位置和姿态；然后计算天线受到来自太阳的热流密度；通过将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；)将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形；然后提取天线主面变形，计算天线远场方向图，给出增益损失，指向误差，副瓣电平。实现天线在仰天时，受环境、太阳辐射和温度变形对电性能的影响。为大口径天线提供科学的分析方法。
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明 图1是地基面天线太阳辐射的机电耦合分析流程图； 图2是某40m 口径地基面天线实物图3是地基面天线太阳辐射的示意图4是大气温度随时间变化曲线图5是某40m天线8 00-17 00温度分布图6是某40m天线主面轴向变形云图7是反射面天线变量示意图8是某40m天线变形方向图与理想方向图对比图9是某40m天线指向误差随时间变化曲线图。
具体实施例方式如图1所示首先根据天线所处的时间、地理位置和姿态，依据传导、对流和辐射三种传热情况时，计算天线受到来自太阳的热流密度；然后将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；其次将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析得到天线变形；最后提取天线主面变形，计算天线远场方向图，并给出增益损失，指向误差，副瓣电平。天线受到来自太阳的热流密度计算不同于太空的辐射环境，阳光穿过大气层时会被大气中的分子、灰尘等散射和吸收一部分，这些被散射的称为散射辐射，那些没有被散射和吸收而直接到达地面的太阳辐射称为直接辐射，同时周围环境也会反射一部分太阳辐射，称之为反射辐射。所以地面上的物体受到的辐射由三部分组成直接辐射、散射辐射和反射辐射，可表述如下
直接辐射
权利要求
1.大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是它包括如下步骤1)确定天线所处的时间、地理位置和姿态；2)计算天线受到来自太阳的热流密度；3)将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；4)将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形；5)提取天线主面变形，计算天线远场方向图；6)给出增益损失，指向误差，副瓣电平。
2.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的确定天线所处的时间、地理位置和姿态，其中，地理位置用经度和纬度表述，时间是北京时间，天线姿态用天线单元表面与水平面的夹角表述。
3.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的天线工作仰角一般是20度到70度。
4.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布包括如下过程；1)建立温度分析模型地基的面天线包括了传导、对流和辐射全部三种传热形式 传导的表述为.3Γm.其中ft为传导的热流密度JFh2, 为导热率勾，377 为沿某方向的温度梯度；对流的表述为其中&为对流的热流密度, Κ为表面对流换热系数,/^2O, r,为固体表面温度即天线温度,^f为流体表面温度即空气温度； 辐射的表述为qr = εσΡ ,Τ*-T*)(13)其中，&为辐射的热流密度，ff为辐射率，金属材料可取0.8，σ为stefan-Boltzmarm常数，为s.eTxiiriir/cW1 ■广)，i 为形状系数，天线结构对大气的辐射取1，7；为辐射体温度即天线温度，T1为被辐射体温度即空气温度；天线表面的一个单元，其满足能量守恒可以表述为 qtAf + q:A,i -qrA/ -qeA{i = pcVLT (14)式中，4表示热传导的面积，I 4分别表示太阳照射、对流和辐射的面积，t表示时间，P为材料密度，c为比热，V表示系统体积，ΔΓ表示温度变化量；2)设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数温度分析的边界条件主要是环境温度L考虑到太阳照射面和阴影面存在明显的温差，故使用阴面和阳面两种环境温度；面板辐射和对流的空气温度使用阳面温度，背架在阴影区，使用阴面温度；天线背架结构的材料是钢，反射面的材料是铝，认为材料各向同性，物性参数可通过材料手册查到；天线表面对流换热系数的取值与流固表面的相对速度有关，无风情况下，一般取5-20， 主面取值15，背架取值12;温度分析时间依据温度实验数据给定，在5分钟的时间内做连续时程分析，判读测试最高温度点对应的仿真温度与实测温度的差值小于0. 2摄氏度，此时的时间就作为瞬态分析的时间；3)通过有限元方法计算天线温度场使用有限元方法求解，将式 ^(冗4-Tf)各变量带入式(14)，并对时间求导，按照温度r合并变量，并写成矩阵形式，可得热平衡的有限元方程 [c]{f} + [r]{r} = {0(15)式中，f为传导矩阵，包含了导热系数，对流系数、辐射率和形状系数，C为比热矩阵，主要体现单元内能，τ为单元温度—分别为温度对时间的导数，Q为单元热流率，包括所有与温度无关的能量变化；在分析程序中设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数后，即可完成式(15)的计算，得到天线表面个点的温度。
5.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形包括如下过程使用ANSYS建立天线有限元模型，设置结构分析所需的各种材料属性；将温度分析所得到的天线表面个点的温度，作为温度载荷施加到天线结构有限元模型中对应的表面结点上；设置参考温度为23°C ；通过ANSYS软件即可完成结构分析，得到天线的结构变形。
6.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的天线主面变形以及计算天线远场方向图包括如下过程1)从天线结构变形中提取主面变形数据；2)由主面变形数据计算口径面的相位分布变化 cos5 (￠/2)/,1-是反射面表面的轴向变形即Z向变形 力波长；3)根据远区电场的计算公式，计算天线远区电场分布，并绘制方向图m Φ1 = g /(p'^e^p'dpW式中，E表示远场某点的场值，分别为口径场^的幅度和相位分布函数，r是相位差，其它相关变量如图7所示S表示反射面，F为其焦点’力天线口径面，^^分别为天线俯仰角和方位角，式#为反射面上某点在口径面投影的极坐标；计算天线远区一系列点的电场值，绘制成方向图；4)由方向图进一步提取天线的增益损失、副瓣电平和指向误差；所述的主面变形导致的增益损失为
7.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的副瓣电平为
8.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是 所述的指向误差为E面參—醒炉陶，塌，
全文摘要
本发明涉及一种大型地基面天线分析方法，特别是大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是它包括如下步骤1)确定天线所处的时间、地理位置和姿态；2)计算天线受到来自太阳的热流密度；3)将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；4)将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形；5)提取天线主面变形，计算天线远场方向图；6)给出增益损失，指向误差，副瓣电平。它提供了一种大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法,以便分析天线在仰天时，受环境、太阳辐射和温度变形对电性能的影响。
文档编号G01R29/10GK102243276SQ20111007547
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者李鹏, 段宝岩, 王伟, 袁婕, 郑飞, 黄进 申请人:西安电子科技大学
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