一種基于機電集成的星載網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于機電集成的星載網(wǎng)狀天線賦形 波束設(shè)計方法，應(yīng)用于星載網(wǎng)狀天線的賦形波束設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 賦形反射面天線具有效率高、服務(wù)區(qū)相鄰區(qū)域信號干擾小的特點，廣泛應(yīng)用于衛(wèi) 星通信中；同時，周邊桁架式可展開網(wǎng)狀天線由于其輕質(zhì)量、收攏體積小、周期短的特點，成 為了近年來備受各國宇航界關(guān)注的空間可展開天線形式；因此，很有必要對周邊桁架式可 展開網(wǎng)狀天線的可賦形能力和相應(yīng)的賦形方法進行深入地研宄。周邊桁架式可展開網(wǎng)狀天 線由于其輕質(zhì)量、收攏體積小、周期短的特點，成為了近年來備受各國宇航界關(guān)注的空間可 展開天線形式，其結(jié)構(gòu)組成主要包括可展開的周邊桁架、金屬反射網(wǎng)、前索網(wǎng)、后索網(wǎng)以及 縱向調(diào)整索結(jié)構(gòu)。前索網(wǎng)主要用于支撐所鋪設(shè)的金屬反射網(wǎng)，后索網(wǎng)主要起平衡作用，縱向 調(diào)整索用于調(diào)節(jié)前索網(wǎng)，使得金屬反射面形成所需要的形面。
[0003] 星載賦形波束天線往往采用單饋源單反射面的結(jié)構(gòu)形式，常用的賦形方法有波前 法、口徑場優(yōu)化法、口徑面柵格的場相位優(yōu)化法和反射面直接展開法等，這些已有方法都是 基于機電分離的思想，首先從電性能要求出發(fā)，設(shè)計出理想的賦形反射面，然后在通過結(jié)構(gòu) 設(shè)計來實現(xiàn)具有賦形反射面的天線結(jié)構(gòu)。對于面天線而言，分離設(shè)計的方法效果已經(jīng)很好； 然而，星載網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)屬于張拉成形結(jié)構(gòu)，要依靠索網(wǎng)的張緊力自平衡來保證反射面的 形面，僅僅從電性能出發(fā)設(shè)計得到的賦形反射面，對于網(wǎng)狀天線而言，結(jié)構(gòu)上可能是無法實 現(xiàn)的。因此，如何使得賦形設(shè)計得到的網(wǎng)狀天線在滿足電性能要求的同時，保證結(jié)構(gòu)的可實 現(xiàn)性，存在一定的困難。
[0004] ShuxinZhang在 2014 年的論文《Sensitivityanalysisoffacetedreflector antennasandacontourbeamsynthesistechnology》中基于靈敏度分析方法對平面拼 合反射面進行了賦形研宄，文中假定反射面節(jié)點的x、y坐標保持不變，通過設(shè)計z坐標來滿 足電性能要求，該方法得到的反射面是凹凸不平的，對于網(wǎng)狀天線而言，結(jié)構(gòu)上是無法通過 張拉實現(xiàn)的。
[0005] H.Tanaka在 2006 年的論文《Designoptimizationstudiesforlarge-scale contouredbeamdeployablesatelliteantennas》中基于機電分離思想對周邊析架式網(wǎng) 狀天線進行了賦形研宄，該方法將索網(wǎng)的賦形分為兩步：首先，從電性能出發(fā)采用平面波方 法設(shè)計理想的賦形面；然后，設(shè)計索網(wǎng)反射面使其盡可能去逼近理想賦形面。該方法設(shè)計過 程繁雜，而且賦形能力很有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于機電集成的網(wǎng)狀天線 賦形波束設(shè)計方法，它是一種通過直接設(shè)計網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)的力密度來盡可能實現(xiàn)賦形電性 能要求的機電集成的賦形設(shè)計方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于機電集成的網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法，其特征 是：至少包括如下步驟：
[0008] 步驟101 :確定網(wǎng)狀天線的基本電參數(shù)和幾何參數(shù)，包括：天線的工作頻率f，天線 的口徑D、前索網(wǎng)焦距F、前索網(wǎng)偏置距離p，天線高度H;
[0009] 步驟102 :根據(jù)偏置拋物面的切割方式，得到前索網(wǎng)和后索網(wǎng)的初始形狀；
[0010] 步驟103 :確定具有賦形要求的區(qū)域所對應(yīng)的天線遠場觀測方向（AZi,ELi)和賦形 區(qū)域的增益要求DiSD°bj(i= 1~Nfm);其中，（AZi,ELi)表示第i個遠場觀測方向的角度 坐標，Di為第i個遠場觀測方向上的增益值，D為賦形區(qū)域所要求的目標增益值，Nfm為遠 場觀測點數(shù)目；
[0011] 步驟104 :對前后索網(wǎng)進行初始網(wǎng)格劃分，可劃分為輻射狀網(wǎng)格、三向網(wǎng)格或者準 測地線網(wǎng)格形式，將網(wǎng)格劃分的結(jié)果作為索網(wǎng)賦形設(shè)計的初始拓撲構(gòu)型，并將對應(yīng)的節(jié)點 坐標信息和索段拓撲連接關(guān)系信息整理成固定格式的數(shù)據(jù)文件；
[0012] 步驟105 :建立網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計的機電集成優(yōu)化模型；
[0013] 步驟106 :通過優(yōu)化策略迭代求解步驟105所建立的優(yōu)化模型；
[0014] 步驟107 :結(jié)束網(wǎng)狀天線的賦形設(shè)計。
[0015] 所述的步驟105,包括如下步驟：
[0016] 步驟601 :確定設(shè)計變量。將前索網(wǎng)和豎向索索單元的力密度作為設(shè)計變量，q=Iiq1,q2~，qm]T，其中，m表示前索網(wǎng)和豎向索的索單元總數(shù)目；
[0017] 步驟602 :確定目標函數(shù)。網(wǎng)狀天線的賦形設(shè)計，既要追求電性能最優(yōu)，又要追求 結(jié)構(gòu)的張力均勻性最優(yōu)，將多目標函數(shù)綜合為單目標目標函數(shù)如下：
【主權(quán)項】
1. 一種基于機電集成的網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法，其特征是；至少包括如下步驟： 步驟101 ;確定網(wǎng)狀天線的基本電參數(shù)和幾何參數(shù)，包括：天線的工作頻率f，天線的口 徑D、前索網(wǎng)焦距F、前索網(wǎng)偏置距離P，天線高度H; 步驟102 ;根據(jù)偏置拋物面的切割方式，得到前索網(wǎng)和后索網(wǎng)的初始形狀； 步驟103 ;確定具有賦形要求的區(qū)域所對應(yīng)的天線遠場觀測方向（AZ?；?)和賦形區(qū)域 的增益要求Di>D°w(i=1~NfJ;其中，（AZ?；?)表示第i個遠場觀測方向的角度坐標， 町為第i個遠場觀測方向上的增益值，D°b嘴賦形區(qū)域所要求的目標增益值，Nf"為遠場觀 測點數(shù)目； 步驟104 ;對前后索網(wǎng)進行初始網(wǎng)格劃分，可劃分為福射狀網(wǎng)格、S向網(wǎng)格或者準測地 線網(wǎng)格形式，將網(wǎng)格劃分的結(jié)果作為索網(wǎng)賦形設(shè)計的初始拓撲構(gòu)型，并將對應(yīng)的節(jié)點坐標 信息和索段拓撲連接關(guān)系信息整理成固定格式的數(shù)據(jù)文件； 步驟105;建立網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計的機電集成優(yōu)化模型； 步驟106 ;通過優(yōu)化策略迭代求解步驟105所建立的優(yōu)化模型； 步驟107 ;結(jié)束網(wǎng)狀天線的賦形設(shè)計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機電集成的網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法，其特征 是： 所述的步驟105,包括如下步驟： 步驟601;確定設(shè)計變量；將前索網(wǎng)和豎向索索單元的力密度作為設(shè)計變量，q= 虹，屯…，Qm]T，其中，m表示前索網(wǎng)和豎向索的索單元總數(shù)目； 步驟602 ;確定目標函數(shù)；網(wǎng)狀天線的賦形設(shè)計，既要追求電性能最優(yōu)，又要追求結(jié)構(gòu) 的張力均勻性最優(yōu)，將多目標函數(shù)綜合為單目標目標函數(shù)如下：
於、//和乃分別為各個目標函數(shù)的歸一化系數(shù);Wi，W2,W3和W4分別為各個目標函數(shù)的權(quán) 系數(shù)，滿足Wl+W2+W3+W4=l和W。W2，W3，W4>0;7；:：："'、^忠"'分別表示前索網(wǎng)張力的最大和 最小值；？寫I分別表示豎向索張力的最大和最小值； 步驟603 ;確定約束條件；需要滿足的約束條件如下： 1) 整個天線索網(wǎng)結(jié)構(gòu)處于受力平衡狀態(tài)，即滿足
式中，C為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲矩陣，Q為索網(wǎng)力密度組成的對角矩陣；[x，y，z]T= [X?！?，X。，y?！?，y。，zi，…，zjT為索網(wǎng)節(jié)點坐標組成的向量，n為索網(wǎng)節(jié)點總數(shù)目； 2) 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)處于無松弛索的自平衡狀態(tài)，應(yīng)滿足 化U= 1 ~m) 式中，Qj.表示索單元j的力密度值，fl為力密度的下限值，m為設(shè)計變量數(shù)目； 步驟604 ;建立優(yōu)化模型。綜合步驟601~步驟603,優(yōu)化模型如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機電集成的網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法，其特征 是： 所述的步驟106,包括如下步驟： 步驟701 ;給定索網(wǎng)力密度的一組初始取值； 步驟702 ;根據(jù)索網(wǎng)的拓撲構(gòu)型C和邊界節(jié)點坐標，通過力密度平衡方程求出索網(wǎng)平衡 后的節(jié)點坐標； 步驟703 ;根據(jù)當前的力密度值和平衡態(tài)節(jié)點坐標，求出所有索單元的長度L并求出 所有索單元的張力T=化； 步驟704 ;分別求出前索網(wǎng)、豎向索、整體結(jié)構(gòu)的最大張力
步驟705 ;根據(jù)步驟702求得的當前平衡態(tài)下的索網(wǎng)節(jié)點坐標，提取出前索網(wǎng)的節(jié)點坐 標，用于計算遠場電性能； 步驟706 ;利用物理光學法計算當前索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的在各個遠場觀測點處的增益值町； 步驟707 ;綜合步驟704和步驟706,求出當前的目標函數(shù)值； 步驟708 ;判斷目標函數(shù)是否已經(jīng)取得最小值； 步驟709 ;若目標函數(shù)是否已經(jīng)取得最小值，則迭代結(jié)束；否則，通過優(yōu)化策略，改變設(shè) 計變量q的取值，至到目標函數(shù)取得最小值為止。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機電集成的星載網(wǎng)狀天線賦形波束設(shè)計方法。該方法首先建立了用于網(wǎng)狀天線的基于機電集成的賦形設(shè)計優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型直接以索網(wǎng)的力密度作為設(shè)計變量，在滿足索網(wǎng)處于張拉平衡狀態(tài)、無松弛索的條件下，既追求遠場電性能盡可能滿足賦形要求，又追求索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的張力盡可能均勻；然后對該優(yōu)化模型進行迭代求解，至到電性能和張力均勻性綜合目標最優(yōu)為止，完成網(wǎng)狀天線的賦形波束設(shè)計。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104794262
【申請?zhí)枴緾N201510144508
【發(fā)明人】楊癸庚, 楊東武, 張樹新, 段寶巖, 張逸群, 杜敬利, 許萬業(yè), 連培園, 宗亞靂
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月30日