专利名称：基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法
技术领域：
本发明涉及天线技术领域，具体是一种基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法。
背景技术：
偏置反射面天线(Offset Reflector Antennas)是一种广泛应用于移动通信卫星、高功率微波武器以及搜索、侦察等各种雷达中。当其工作频段较高时，结构因素对天线的辐射性能影响较大。大型可展开薄膜或索网偏置抛物面天线的应用带来的低副瓣的需求，要求能精确计算表面误差对天线副瓣的影响。影响偏置抛物面天线电性能的结构因素主要包括反射面表面误差与馈源误差。反射面表面误差包括在外载荷，如风、振动、太阳照射等作用下的反射面表面变形误差，以及背架和面板制造、装配过程中产生的反射面随机误差。外载荷除导致主反射面变形外，还会引起馈源误差，即馈源的位置偏移和指向偏转。·高频率、低副瓣、轻重量的发展趋势，对偏置抛物面天线的结构设计与工艺提出了更高的要求。而传统的设计方法在保证电性能同时常常会对结构设计提出苛刻的要求。过高的结构精度要求虽然可保证天线的工作性能，但却会使其成本大大提高，甚至出现受技术水平和实际工作环境限制，无法满足给定精度要求的情况。因此，有必要根据电性能的指标要求准确地提出对天线结构设计的要求。也就是说，通过建立偏置反射面结构设计与电磁设计之间相互影响、相互制约的关系，即利用机电耦合方法来预测各种结构方案下的天线电性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有偏置反射面天线分析技术中往往忽视结构位移场和电磁场之间的耦合关系，而单独考虑其一个方面的影响，导致偏置抛物面天线结构和热设计中机、电分离。为此，本发明提出了一种基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能的预测方法，以实现基于偏置反射面天线机电两场耦合的电性能预测，用以指导其结构设计。本发明是通过下述技术方案来实现的。基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，该方法包括下述步骤(I)根据偏置反射面天线的结构参数以及材料属性，在I-DEAS中构建其有限元模型；(2)根据天线的位置朝向以及太阳的热辐射分布，在I-DEAS中分析得到偏置反射面天线的有限元模型各个节点的温度分布；(3)将偏置反射面天线的有限元模型文件读入Ansys文件中；(4)给定偏置反射面天线有限元模型约束条件，基于各节点的温度分布，计算在不同温度载荷情况下的偏置反射面天线有限元模型产生的变形，并提取偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差；(5)根据偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差，计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，进而利用机电耦合模型，计算偏置反射面天线的电性能；(6)根据偏置反射面天线的电性能指标要求，判断计算出的偏置反射面天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则偏置反射面天线结构设计合格；否则，修改偏置反射面天线的结构参数，并重复步骤(I)到步骤(5)，直至满足要求。所述步骤(I)中偏置反射面天线的结构参数包括天线口径D、焦距f、偏置高度H、母抛物面口径Dp和焦径比F/Dp ;偏置反射面天线的材料属性包括密度、热传导率、比热、泊松比、弹性模量、热膨胀系数、吸收率和发射率。所述步骤(4)中反射面天线有限元模型各个节点的误差，包括反射面节点轴向误差A z、馈源位置误差d( S (￠))和馈源指向误差(A US (￠)), A (8 (^)))0所述步骤(5)中计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差，按·如下过程进行(5a)在XtiytlZtl坐标系下，当偏置反射面天线存在反射面节点轴向误差A z时，偏置反射面天线的波程差人为A = Az (I+ cos<^) = 2Az COS2 (<^/2)式中，r0, ^ , 4)'为x0y0z0坐标系相应的球坐标分量；(5b)根据步骤(5a)中得到的偏置反射面天线的波程差&，得出偏置反射面天线的
相位误差炉为
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X式中，k为波常数，\为工作波长；(5c)偏置反射面天线的轴向误差A z包括随机轴向误差A Zy(Y)和系统轴向误差Azs(S (￠))，由此导出Az=AzY(y)+Azs(6 (￠))式中，Y为制造、装配过程中产生的随机误差；S (0 )为天线结构位移；0为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑和类型参数；(5d)将步骤(5c)偏置反射面天线的轴向误差A z代入步骤(5b)偏置反射面天线的相位误差炉中，得到偏置反射面天线的相位误差炉
<P = ^[azT (r) + Azs (J⑷))C0S2 (^/2) = (P7 (y) + (Ps (厶⑷)式中，&(/)是反射面随机误差对口径场相位的影响项，％(占(夕))是反射面系统误差对口径场相位的影响项。所述步骤(5 )馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项包括馈源位置误差对口径场相位的影响项炉和馈源指向误差对口径场幅度的影响项所述步骤(5 )中计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，按如下过程进行
(5a’)馈源位置误差为d(S (￠))，得到馈源位置误差对口径场相位的影响项(pf{5{P))%
(pf{S{P)) = kr0.d\S{p))式中，&为馈源到反射面一点的距离,ASrci方向的单位矢量，k为波常数，8 (￠)为天线结构位移，0为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑和类型参数；(5b’)在xyz坐标系下，当馈源与负z轴方向存在指向误差A I (8 (￠))时，得到新的指向角度I 1为:I1 =l~a~A 1(6(^))·式中，I为偏置反射面天线未变形的指向角度，a为馈源偏焦角度；根据馈源方向存在指向误差AcK (S (￠))，得到新的(K方向角#为# =(勝(5c’)由步骤(5b’)得到偏置反射面天线馈源指向误差对口径场幅度的影响项
/0(辦=於 A / )):。所述步骤(5)中计算偏置反射面天线的电性能按照下式进行将偏置反射面天线有限元模型各个节点在不同温度载荷情况下反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项代入偏置反射面天线机电耦合模型中，得到在极坐标(0，￠)下偏置反射面天线的电性能E(0，￠)
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向误差对口径场幅度的影响项，灼H句)为反射面系统误差对口径场相位的影响项，
为反射面随机误差对口径场相位的影响项，供为馈源位置误差对口径场相位的影
响项，5 (￠)为天线结构位移，P为天线结构设计变量，Y为制造、装配过程中随机误差，r0为馈源到反射面一点的距离，k为波常数，A为偏置反射面天线在XtlOytl平面上投影的面积，P ' , '为XtlOytl平面内的极坐标。所述根据步骤(5)偏置反射面天线的电性能绘制天线功率方向图，得到第一副瓣电平和半功率波瓣宽度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点I.利用偏置反射面天线的结构有限元模型进行有限元分析，确定温度导致的结构变形，可以准确分析温度对偏置反射面天线结构的影响，进而实现偏置反射面天线的结构和电磁两场稱合分析；2.通过研究偏置反射面天线的机电耦合问题，分析反射面与馈源等主要结构误差对天线工作性能的影响，可以找出其中主要结构因素，并根据实际需要给出合理的结构精度要求，以降低对结构设计与加工精度的要求，缩短了偏置反射面天线的研制周期，降低了研制成本。
图I为本发明偏置反射面天线机电耦合分析流程图。图2为偏置反射面天线结构示意图。·图3为偏置反射面天线反射面误差示意图。图4为偏置反射面天线馈源位置误差示意图。图5为偏置反射面天线馈源指向误差示意图。图6为24个小时偏置反射面天线的最高温度和最低温度。图7为18 00时偏置反射面天线结构温度云图。图8为偏置反射面天线结构有限元模型。图9为偏置反射面天线结构误差云图。图10偏置反射面天线机电耦合模型仿真结果图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。参照图I所示，本发明基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，步骤如下步骤一，在I-DEAS中建立天线有限元模型根据偏置反射面天线的结构参数以及材料属性，确定天线的几何模型。其中偏置反射面天线的结构参数包括天线口径D、焦距f、偏置高度H、母抛物面口径Dp和焦径比F/Dp;偏置反射面天线的材料属性包括密度、热传导率、比热、泊松比、弹性模量、热膨胀系数、吸收率和发射率。偏置反射面天线结构见图2所示，其中S为反射面，f为焦距，a馈源偏焦角度，xoy面为等相位口径面A所在平面，Xtl, y0, Z0坐标系为母抛物面坐标系，相应的球坐标分量为rQ, � , 4)',相应的xQoyQ平面内的极坐标为P ' , ' ;x, y, z坐标系用于计算天线远区辐射�。嘤Φ那蜃攴至课猺，0，(KP为远场区的一点，r远场区的一点P到坐标原点的距离，下同。在I-DEAS中构建其有限元模型，结构单元类型为SHELL63。I-DEAS是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提闻广品性能的闻级分析功能。步骤二，在I-DEAS中分析得到偏置反射面天线有限元模型各个节点的温度分布首先，根据天线的位置朝向以及太阳的热辐射分布，得到24个时刻的最大温度和最小温度；确定偏置反射面天线的约束条件；所有约束加载在偏置反射面天线有限元模型的边缘节点处，所有约束均为全约束。其次，利用I-DEAS进行求解，得到偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的有限元模型各个节点的温度分布。步骤三，将偏置反射面天线的有限元模型文件读入Ansys文件中步骤四，通过各节点的温度分布计算有限元模型各个节点的误差给定偏置反射面天线有限元模型约束条件，计算在不同温度载荷情况下的偏置反射面天线有限元模型产生的变形，并提取偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差。进而可以得到天线有限元模型各个节点的误差包括反射面节点轴向误差A z、馈源位置误差d(8 (￠))和指向误差(A US (￠)), A V (SM)))。步骤五，计算偏置反射面天线的电性能·通过偏置反射面天线的反射面节点轴向误差A z、馈源位置误差d( S (￠))和馈源指向误差(A � (S (￠)), A (8 (￠)))，计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，其中馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项包括馈源位置误差对口径场相位的影响和偏置反射面
天线馈源指向误差对口径场幅度的影响项I、偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差分析过程如下(5a)在Xc^ciZci坐标系下，当偏置反射面天线存在反射面节点轴向误差A z时,如图3所示，偏置反射面天线的波程差人为A = Az(1+cos^) = 2Azcos2(<^/2)式中，r0, ^ , 4)'为x0y0z0坐标系相应的球坐标分量；(5b)根据步骤(5a)中得到的偏置反射面天线的波程差么，得出偏置反射面天线的
相位误差#为
(p' = kK=^j-hzCOS2{^ I i)式中，k为波常数，\为工作波长；(5c)偏置反射面天线的轴向误差A z包括随机轴向误差A Zy(Y)和系统轴向误差Azs(S (￠))，由此可以导出Az=AzY(y)+Azs(8 (￠))式中，Y为制造、装配过程中随机误差；S (0 )为天线结构位移；0为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑、类型等参数；(5d)将步骤(5c)偏置反射面天线的轴向误差A z代入步骤(5b)反射面相位误差
炉'中，得到偏置反射面天线的相位误差炉
<P =亨卜r (r)+^s [s⑷))C0S2 (^/2) = (pr (r)+(ps [s[p))式中，外(7)是反射面随机误差对口径场相位的影响项是反射面系统误差对口径场相位的影响项。2、偏置反射面天线在不同时刻存在馈源误差的天线辐射场分析过程如下( 5a’)设馈源位置误差为d ( S ( 0 ))，如图4所示，得到馈源位置误差对口径场相
位的影响项力 点))为
(pf{S{P)) = krQ-d{S{P))式中，&为馈源到反射面一点的距离, .为r0方向的单位矢量，k为波常数；(5b’)在xyz坐标系下，当馈源与负z轴方向存在指向误差A I时，如图5所示，可以知道新的指向角度I '为:·\ ' =l-a-A 1(6(^))式中I为偏置反射面天线原指向角度，a为偏置反射面天线的偏置角度；根据馈源V方向存在指向误差AV (S (￠))，可以得到新的V方向角#为= ^ {S[P))(5c’)由步骤(5b’)得到偏置反射面天线馈源指向误差对口径场幅度的影响项
伞外/。|>，叫=/。卜-a-A中⑷),-歸卜⑷)、。将偏置反射面天线有限元模型各个节点在不同温度载荷情况下反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项代入偏置反射面天线机电耦合模型中，可以得到在极坐标(e，￠)下偏置反射面天线的电性能E(e，￠)
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expj (ps(s{p)^+(pr(r)+(pf[s[p^ p’Ap背由此计算偏置反射面天线的电性能，根据电性能绘制的天线功率方向图，得到第一副瓣电平和半功率波瓣宽度。步骤六，判断是否满足设计要求根据偏置反射面天线的电性能指标要求，判断计算出偏置反射面天线电性能要求是否满足要求，如果满足要求，则偏置反射面天线结构设计合格；否则，修改偏置反射面天线的结构参数，并重复步骤一到步骤五，直至满足要求。本发明可以通过仿真实验进一步说明I.仿真偏置反射面天线参数为验证机电耦合模型的正确性，将其应用于X波段的偏置反射面天线。偏置反射面天线的几何参数以及工作频率如表I所示。偏置反射面天线的材料属性如表2所示。
表I偏置反射面天线的几何参数以及工作频率
天线口径D 焦距/偏置高度丑
108.15/, 94.87 义16.87/.
母抛物面口径Dp 焦径比F /外工作频率
2502 0.38/l12.5GHz
表2偏置反射面天线的材料属性
密度kg/m3比热j/kg.°C 泊松比 w/m- C·
12694008000.3
弹性t旲S 热胀.系统 0 :^
PaI/0C
1.24e+l I2e-60 1702.计算偏置反射面天线的电性能偏置反射面天线的电性能可以通过以下五步得到I)在I-DEAS中建立天线有限元模型根据偏置反射面天线的几何参数，工作频率以及材料属性，确定天线的几何模型。在I-DEAS中建立天线有限元模型，天线有限元模型单元类型为壳单元SHELL63，单元厚度为2mm，单元数为2756个，节点数为1443个。2)在I-DEAS中分析得到偏置反射面天线的有限元模型各个节点的温度分布首先，根据太阳处于春分位置时以12 00为起始时刻的24个时刻的温度分布，得到24个时刻的最大温度和最小温度，如图6所示；选取天线具有最大温度梯度的时刻，即太阳在18 00时的温度分布；确定偏置反射面天线的约束条件，所有约束加载在偏置反射面天线有限元模型的面板边缘节点处，所有约束均为全约束。其次，利用I-DEAS进行求解，得到偏置反射面天线在18 00时的有限元模型各个节点的温度分布，天线结构温度云图如图7所示。3)将偏置反射面天线的有限元模型文件读入Ansys文件中偏置反射面天线的在Ansys中的有限元模型如图8所示。4)通过各节点的温度分布计算有限元模型各个节点的误差给定偏置反射面天线有限元模型约束条件和边界条件，计算在18:00时的温度分布下偏置反射面天线有限元模型产生的变形，天线结构误差云图如图9所示，从图中可以看出偏置抛物面天线的最大变形发生在靠近反射面边缘处，靠近反射面中心处变形较小。提取偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差，进而可以得到天线有限元模型各个节点的误差包括反射面节点轴向误差A z、馈源位置误差d( S (￠))和指向误差
权利要求
1.基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 (1)根据偏置反射面天线的结构参数以及材料属性，在I-DEAS中构建其有限元模型； (2)根据天线的位置朝向以及太阳的热辐射分布，在I-DEAS中分析得到偏置反射面天线的有限元模型各个节点的温度分布； (3)将偏置反射面天线的有限元模型文件读入Ansys文件中； (4)给定偏置反射面天线有限元模型约束条件，基于各节点的温度分布，计算在不同温度载荷情况下的偏置反射面天线有限元模型产生的变形，并提取偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差； (5)根据偏置反射面天线有限元模型各个节点的误差，计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，进而利用机电耦合模型，计算偏置反射面天线的电性能； (6)根据偏置反射面天线的电性能指标要求，判断计算出的偏置反射面天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则偏置反射面天线结构设计合格；否则，修改偏置反射面天线的结构参数，并重复步骤(I)到步骤(5)，直至满足要求。
2.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(I)中偏置反射面天线的结构参数包括天线口径D、焦距f、偏置高度H、母抛物面口径Dp和焦径比F/Dp ;偏置反射面天线的材料属性包括密度、热传导率、比热、泊松t匕、弹性模量、热膨胀系数、吸收率和发射率。
3.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中反射面天线有限元模型各个节点的误差，包括反射面节点轴向误差厶2、馈源位置误差(1(6 (β))和馈源指向误差(Λ ξ (δ (β))，Λ φ' (δ (β)))。
4.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的反射面误差，按如下过程进行 (5a)在XciytlZtl坐标系下，当偏置反射面天线存在反射面节点轴向误差Λ ζ时，偏置反射面天线的波程差Λ为
5.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(5)馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项包括馈源位置误差对口径场相位的影响项力和馈源指向误差对口径场幅度的影响项
6.根据权利要求5所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算出偏置反射面天线在不同温度载荷情况下的馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，按如下过程进行 (5a’)馈源位置误差为(1(δ (β))，得到馈源位置误差对口径场相位的影响项Ψ/(δ{β))% φ/(δ(β)) = ^0· .(δ(β)) 式中，r0为馈源到反射面一点的距离，&为A方向的单位矢量，k为波常数，S (β )为天线结构位移，β为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑和类型参数； (5b’)在xyz坐标系下，当馈源与负ζ轴方向存在指向误差Λ ξ ( δ (β))时,得到新的指向角度V为: I' =ξ-α-Δ ξ (δ (β)) 式中，ξ为偏置反射面天线未变形的指向角度，α为馈源偏焦角度； 根据馈源Φ'方向存在指向误差Λ Φ' O (β))，得到新的Φ'方向角^为 # = #-Δ#(明)；(5c’)由步骤(5b’)得到偏置反射面天线馈源指向误差对口径场幅度的影响项伞外 /0〔W〕= /0卜-Δ灵 ))於Δ#(·)):。
7.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算偏置反射面天线的电性能按照下式进行 将偏置反射面天线有限元模型各个节点在不同温度载荷情况下反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项代入偏置反射面天线机电耦合模型中，得到在极坐标(θ，Φ)下偏置反射面天线的电性能Ε(θ，φ):L[ξ-a-^ξ δ{β%φ'-^φ\δ{βf\ Ε^θ,φ^=\\------expj kp'smθco ,{φ-φ^\
8.根据权利要求I所述的基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述根据步骤(5)偏置反射面天线的电性能绘制天线功率方向图，得到第一副瓣电平和半功率波瓣宽度。
全文摘要
本发明公开了基于机电耦合模型的偏置反射面天线电性能预测方法，该方法包括1)在I-DEAS中建立天线有限元模型；2)在I-DEAS中分析得到偏置反射面天线的有限元模型各节点的温度分布；3)将有限元模型文件读入Ansys文件中，计算温度引起的结构变形；4)计算偏置反射面天线的反射面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项；5)计算偏置反射面天线的电性能；6)判断是否满足设计要求。该方法可以准确分析温度对偏置反射面天线结构的影响，实现偏置反射面天线的结构和电磁两场耦合分析；分析各种结构误差对天线工作性能的影响，可以找出其中主要结构因素，根据实际需要给出合理的结构精度要求，缩短研制周期，降低研制成本。
文档编号G01R31/00GK102788920SQ20121026615
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者�：�, 康明魁, 徐慧娟, 李兆, 段宝岩, 王从思, 王伟, 黄进 申请人:西安电子科技大学
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