本發(fā)明屬于構(gòu)架式天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法。

背景技術(shù)：

構(gòu)架式可展開天線由多個(gè)空間單元組成，是一種網(wǎng)狀反射面天線；其獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)理念既能有效實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的大口徑和高精度要求。構(gòu)架式可展天線由上部的金屬索網(wǎng)和下部的背架構(gòu)成。在天線整體組裝前期，分別對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，而模塊索網(wǎng)邊界上的節(jié)點(diǎn)在索張力平衡條件下，須向里縮進(jìn)從而形成垂跨結(jié)構(gòu)形式。垂跨比的存在使得邊界處的索網(wǎng)三角形面片面積有所缺損，導(dǎo)致反射面上模塊間出現(xiàn)縫隙。縫隙的存在對(duì)天線電性能會(huì)產(chǎn)生影響，那么，如何解決縫隙帶來的問題，即設(shè)計(jì)各模塊的索網(wǎng)垂跨比，就成了構(gòu)架式天線索網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。若垂跨比小，則會(huì)導(dǎo)致邊界索網(wǎng)單元的張力增加，反之，垂跨比大，反射面就會(huì)損失，進(jìn)而影響天線的增益。

綜上所述，現(xiàn)有的構(gòu)架式天線索網(wǎng)存在反射面上模塊間縫隙帶來的天線電性能較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法，旨在解決現(xiàn)有的構(gòu)架式天線索網(wǎng)存在反射面上模塊間縫隙帶來的天線電性能較低的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法，所述構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法基于粒子群算法，用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的張立平衡條件及索段張力的上下限構(gòu)成適應(yīng)度函數(shù)；利用優(yōu)化算法對(duì)具有幾何非線性特征的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行求解，尋找模塊索網(wǎng)邊界處的垂跨結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法包括以下步驟：

首先分析構(gòu)架式天線的電性能，對(duì)天線增益進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；

其次進(jìn)行索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，設(shè)計(jì)索網(wǎng)中各索段的平衡張力；

然后通過分析建立構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；

最后基于張力平衡條件及索段張力上下限的適應(yīng)度函數(shù)，提出基于粒子群優(yōu)化算法的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法。

進(jìn)一步，通過構(gòu)建索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力平衡方程可求得索網(wǎng)部分的張力值T_NUME×1。

進(jìn)一步，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

Findρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T

ρ_j∈[ρ_jl,ρ_ju],j＝1,…,NUMM

進(jìn)一步，適應(yīng)度函數(shù)為，

其中，f_max是群體中最差可行個(gè)體的適應(yīng)度值；

進(jìn)一步，反射面天線的方向系數(shù)為：

其中，表示饋源的輻射功率；

對(duì)反射面上每個(gè)面片進(jìn)行積分計(jì)算得到各個(gè)單元的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)后，在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)所有面片進(jìn)行疊加，得到整個(gè)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)。

將D₁代入天線的增益公式：

G＝D₁η。

進(jìn)一步，空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)平衡構(gòu)型上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)i在x,y,z方向上的力平衡方程為：

其中，t_ij為索力，l_ij為索段單元ij的長(zhǎng)度，x_i,y_i,z_i,x_j,y_j,z_j為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，f_ix,f_iy,f_iz為節(jié)點(diǎn)i在x,y,z方向所受的外力。

進(jìn)一步，將索網(wǎng)中的每一個(gè)非約束節(jié)點(diǎn)方程集成為矩陣形式，得索網(wǎng)平衡方程如下，

A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}T_NUME×1＝0_{3(NUMC-NUMU)×1}；

式中，A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}為索網(wǎng)的平衡矩陣，T_NUME×1為索段的預(yù)拉力列向量，NUMC為索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，NUMU為索網(wǎng)約束節(jié)點(diǎn)總數(shù)，NUME為索段總數(shù)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法制作的構(gòu)架式天線。

本發(fā)明提供的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法，解決了構(gòu)架式天線反射面上模塊間的縫隙問題。本發(fā)明的優(yōu)化方法基于粒子群算法，用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的張立平衡條件及索段張力的上下限構(gòu)成適應(yīng)度函數(shù)，同時(shí)考慮天線電性能和索網(wǎng)力學(xué)性能的好壞，利用優(yōu)化算法對(duì)具有幾何非線性特征的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行求解，尋找模塊索網(wǎng)邊界處的垂跨結(jié)構(gòu)形式，以使在索網(wǎng)的力學(xué)性能的許可范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)極大程度降低反射面縫隙對(duì)天線電性能的影響。

本發(fā)明的考慮縫隙影響的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，滿足索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的張立平衡條件及限制索段張力的上下限，將索網(wǎng)的電性能及力學(xué)性能作為目標(biāo)函數(shù)，這樣既能夠滿足天線設(shè)計(jì)時(shí)的硬性要求，又能對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行優(yōu)化；優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)是節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變量的函數(shù)，而索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與垂跨比有關(guān)，因而目標(biāo)函數(shù)是垂跨比的隱式函數(shù)。對(duì)于這一高度非線性多目標(biāo)問題，通過對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加權(quán)解決了多目標(biāo)問題，通過構(gòu)造合適的適應(yīng)度函數(shù)將約束問題轉(zhuǎn)化成了無約束問題，從而可以選擇PSO算法進(jìn)行求解。本發(fā)明能夠設(shè)計(jì)天線的索網(wǎng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，保證索網(wǎng)的力學(xué)性能在許可范圍內(nèi)，能極大程度降低反射面縫隙對(duì)天線電性能的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力平衡示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的構(gòu)架式天線的有限元模型圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)函數(shù)迭代過程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法包括以下步驟：

S101：分析構(gòu)架式天線的電性能特點(diǎn)，對(duì)天線增益進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；

S102：進(jìn)行索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，設(shè)計(jì)索網(wǎng)中各索段的平衡張力；

S103：通過分析建立構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；

S104：基于張力平衡條件及索段張力上下限的適應(yīng)度函數(shù)，提出基于粒子群優(yōu)化(PSO)算法的考慮縫隙影響的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成制作方法包括以下步驟：

1)索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)是在分析天線電性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，首先確定構(gòu)架式天線的電性能特點(diǎn)；構(gòu)架式可展開天線的每個(gè)模塊均并行制造及組裝，每個(gè)模塊上均鋪有采用導(dǎo)電性能良好的金屬絲網(wǎng)，它將入射于面上的電磁波幾乎全部反射。對(duì)于每個(gè)模塊的邊界索網(wǎng)部分，由于垂跨比的存在，使得邊界處的三角形面片面積有所缺損，從而導(dǎo)致模塊間出現(xiàn)縫隙?？p隙會(huì)影響天線的電性能，主要表現(xiàn)為降低增益，可以從縫隙的面積損失來考慮縫隙對(duì)反射面增益的影響。

2)索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)的另外一點(diǎn)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。索網(wǎng)上的自有節(jié)點(diǎn)均需滿足張立平衡條件方可保證索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡，通過構(gòu)建索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力平衡方程可求得索網(wǎng)部分的張力值T_NUME×1。隨著垂跨比的減小，邊界索段的受力將變大，索網(wǎng)的張力分布越不均勻。

3)反射面上的縫隙大小主要由各模塊索網(wǎng)的垂跨比決定，而由于構(gòu)架式天線各模塊的并行性，各模塊的垂跨比應(yīng)當(dāng)相互獨(dú)立，因此將每個(gè)模塊索網(wǎng)垂跨比作為設(shè)計(jì)變量，記為：

Find ρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T (1)

其中ρ₁表示第1個(gè)模塊的垂跨比值，NUMM表示模塊總數(shù)。

索網(wǎng)的設(shè)計(jì)，需綜合考慮到電性能及力學(xué)性能的好壞，電性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是天線增益，而力學(xué)性能的好壞取決于索網(wǎng)最大最小張力比的大小，由于星載索網(wǎng)可展開天線在太空中會(huì)受到復(fù)雜的太空環(huán)境影響，主要表現(xiàn)為空間不斷變化的熱載荷作用，索網(wǎng)的張力分布均勻情況將直接影響天線索網(wǎng)的穩(wěn)定性。在模型中，將增益最大化目標(biāo)可等效為損失增益最小，另一優(yōu)化目標(biāo)是索網(wǎng)最大最小張力比最小，則優(yōu)化目標(biāo)為：

其中，f₁為理想反射面與實(shí)際反射面的增益損失，f₂為上索網(wǎng)、下索網(wǎng)及豎向索的最大張力與最小張力的比值算術(shù)平均。

由于兩個(gè)目標(biāo)值的量綱與量級(jí)均不相同，考慮對(duì)目標(biāo)函數(shù)分別進(jìn)行歸一化處理，并通過采用加權(quán)系數(shù)法對(duì)每個(gè)目標(biāo)函數(shù)乘以相應(yīng)的權(quán)重，將多目標(biāo)整合為單目標(biāo)進(jìn)行求解，因此優(yōu)化最終目標(biāo)函數(shù)為：

式中，α₁、α₂分別為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

此問題中的約束條件有三個(gè)：一是索網(wǎng)中位于對(duì)稱位置處的索網(wǎng)預(yù)張力相等，即線性等式約束條件；二是索網(wǎng)中索段的預(yù)張力值要在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)變化，此為線性不等式約束；三是設(shè)計(jì)變量值的上下限約束。因此約束條件的數(shù)學(xué)表述為：

S.T.g(ρ)＝AT＝0

其中，A為結(jié)構(gòu)的拓?fù)渚仃嚕?u>T及為索網(wǎng)張力的上下限值，ρ及為垂跨比的上下限值。

4)由于粒子群算法并不能直接求解有約束的優(yōu)化問題，求解過程中需要將約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題進(jìn)行求解。將等式約束轉(zhuǎn)化為不等式約束的形式：

h_i(ρ)＝|g_i(ρ)|-δ≤0,i＝1,...,NUMC (5)

其中，ε是一個(gè)允許公差(一個(gè)非常小的正值)，NUMC為索單元個(gè)數(shù)。當(dāng)|g_i(ρ)|-δ≤0時(shí)，解ρ被認(rèn)為是可行的。

張力約束可以寫為：

h_i(ρ)＝-T_i(ρ)+T≤0,i＝1,…,NUMC (7)

構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)為：

其中，f_max是群體中最差可行個(gè)體的適應(yīng)度值；

從而，構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

Findρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_NUMM]^T

ρ_j∈[ρ_jl,ρ_ju],j＝1,…,NUMM

在本發(fā)明實(shí)施例中：

所述步驟1)中反射面增益的確定包括：

利用面電流法計(jì)算反射面天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的計(jì)算公式為：

其中，k＝2π/λ為自由空間波數(shù)，λ為波長(zhǎng)，η＝120π是自由空間波阻抗，r表示遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)到坐標(biāo)中心的距離，為單位并矢，為單位并矢的并矢，Σ為反射面表面，σ為反射面在口徑面上的投影，代表反射面上某點(diǎn)的位置矢量，且是關(guān)于N和ρ的函數(shù)，為該點(diǎn)的單位外法向矢量，為入射磁場(chǎng)矢量。

利用上式對(duì)反射面上每個(gè)面片進(jìn)行積分計(jì)算得到各個(gè)單元的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)后，在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)所有面片進(jìn)行疊加，得到整個(gè)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)。

反射面天線的方向系數(shù)為：

其中，表示饋源的輻射功率。

利用上式對(duì)反射面上每個(gè)面片進(jìn)行積分計(jì)算得到各個(gè)單元的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)后，在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)所有面片進(jìn)行疊加，得到整個(gè)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)。

將D₁代入天線的增益公式：

G＝D₁η (12)

即可分析縫隙對(duì)天線增益的影響。

所述步驟2)中索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析包括：

通過求解天線的靜力平衡方程，來獲得索段拉力分布，進(jìn)而評(píng)估垂跨比對(duì)天線力學(xué)性能的影響。對(duì)于如圖2所示的空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)平衡構(gòu)型上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)i，其在x,y,z方向上的力平衡方程為：

其中，t_ij為索力，l_ij為索段單元ij的長(zhǎng)度，x_i,y_i,z_i,x_j,y_j,z_j為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，f_ix,f_iy,f_iz為節(jié)點(diǎn)i在x,y,z方向所受的外力。

將索網(wǎng)中的每一個(gè)非約束節(jié)點(diǎn)方程集成為矩陣形式，可得索網(wǎng)平衡方程如下：

A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}T_NUME×1＝0_{3(NUMC-NUMU)×1} (14)

式中，A_{3(NUMC-NUMU)×NUME}為索網(wǎng)的平衡矩陣，T_NUME×1為索段的預(yù)拉力列向量，NUMC為索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，NUMU為索網(wǎng)約束節(jié)點(diǎn)總數(shù)，NUME為索段總數(shù)。

下面結(jié)合仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

某構(gòu)架式天線的光學(xué)口徑為7.2m，上網(wǎng)面焦距為7.2195m，下網(wǎng)面焦距為14.439m，波長(zhǎng)為150mm，天線頻率為2GHz，模塊層數(shù)分2層，模塊索網(wǎng)分段數(shù)為4，天線上網(wǎng)面節(jié)點(diǎn)數(shù)為427，索段總數(shù)是2569，其中調(diào)整索數(shù)目為385。權(quán)重因子α₁＝0.6，α₂＝0.4。其有限元模型如圖3。

采用本發(fā)明的方法進(jìn)行考考慮縫隙影響的構(gòu)架式天線索網(wǎng)機(jī)電集成設(shè)計(jì)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)迭代曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著優(yōu)化迭代次數(shù)的增加，目標(biāo)函數(shù)值不斷減小。在20次迭代后目標(biāo)函數(shù)值降為0.2356，增益損失由1.7923dB下降至0.9352dB，張力比由5.9555變?yōu)?.9757。表1列出了優(yōu)化前后的各參數(shù)值?？紤]到不同發(fā)射任務(wù)對(duì)天線的增益、力學(xué)性能要求會(huì)有不同，因而在天線的初始設(shè)計(jì)階段，可對(duì)兩種性能進(jìn)行平衡。決策者可通過調(diào)整權(quán)重因子α₁及α₂的大小來指導(dǎo)增益及張力比的重要程度，可以對(duì)于PSO算法設(shè)置合適的參數(shù)，如種子數(shù)、c₁、c₂，或者增大終止次數(shù)來獲取盡可能好的優(yōu)化值。

表1優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。