本项目提供了一种面向赋形面的大型抛物面天线主动面板调整量的快速确定方法,包括确定天线结构模型和促动器支撑节点;确定大型抛物面天线的两种工作模式下的整体反射面面型,确定赋形面的拟合方程;提取反射面所有主动面板的节点信息;计算与赋形面拟合均方根误差最小的目标曲面;确定面板与目标曲面的对应节点,计算促动器调整量;计算调整后整体反射面的所有节点的轴向误差;利用机电耦合模型计算天线增益,判断天线增益是否满足要求,输出最佳促动器调整量。本发明能直接准确地计算天线主动面板促动器的最佳调整量,使调整后形成的天线整体反射面更加逼近赋形面,能明显提高天线电性能,实现大型抛物面天线两种工作模式下的面型精准转换功能。
1.一种面向赋形面的大型抛物面天线主动面板调整量的快速确定方法,其特征在于,包括如下过程:
(1)根据大型抛物面天线的结构参数及材料属性,确定天线结构模型和促动器支撑节点;
(2)根据天线设计与工作要求,大型抛物面天线的单块面板为抛物面,天线初始整体反射面也为抛物面,确定天线抛物面的标准方程;并根据天线设计与工作要求,调整后的天线整体反射面为赋形面,确定天线赋形面的拟合方程;
(3)根据天线结构模型,提取反射面所有主动面板的节点信息;
(4)根据反射面所有主动面板的节点信息,提取第e块主动面板的节点信息,基于最小二乘原理,计算与赋形面拟合均方根误差最小的目标曲面方程;
(5)确定主动面板与目标曲面的对应节点,并根据促动器支撑节点和主动面板与目标曲面的对应节点,计算促动器调整量;
(6)判断是否所有主动面板的促动器调整量都计算完毕,若是,转至步骤(7);若否,令e=e+1,转至步骤(4);
(7)根据所有主动面板的促动器调整量,计算调整后整体反射面相对于赋形面的所有节点的轴向误差;
(8)基于机电耦合模型,计算天线增益,并根据大型抛物面天线的性能要求,判断天线增益是否满足要求,若满足,输出最佳促动器调整量,若不满足,改变促动器位置,更新天线模型
1.在ANSYS中建立大型抛物面天线结构模型
本实施例中,以8米天线ANSYS结构有限元模型为案例进行分析,模型中的梁单元采用,beam188,壳单元选用shell63,建成的ANSYS结构模型如图2所示,其中天线焦距f为3米,工作频段为5GHz,天线背架为钢结构,材料的弹性模量为2.1×107MPa,密度为7.85×10-3kg/cm2;面板为铝合金,密度为2.73×10-3kg/cm3,厚度为4mm。
2.确定大型抛物面天线的两种工作模式下的整体反射面面型
根据天线ANSYS结构模型,可确定天线初始整体反射面的抛物面标准方程为:天线反射面的口径面取为圆,投影口径为8米,偏置距离H-a为1米,波长λ为0.06米。这里取n=3、m=2,并利用表1、表2数据,可确定调整后的天线整体反射面的赋形面拟合方程为:
其中(xs,ys,zs)表示赋形面上一点坐标。
大型抛物面天线在射电天文、雷达、通讯和太空探测等领域有着广泛应用,随着大型面天线的广泛应用,不同的系统对面天线提出了不同的特殊要求,这些要求同时也推动了面天线技术的不断向前发展。大型面天线具有高增益、窄波束特点,目前国内外已建成或在筹建的大型射电望远镜中,反射面表面最常见的是抛物面形状,随着一部天线工作环境的复杂化和工作模式的多样化,不同功能对大型天线提出了不同的型面要求,天线设计者逐渐开始采用了赋形表面设计。赋形反射面天线就是对天线反射面进行赋形,通过优化反射面的形状来提高一定区域的有效辐射,并减少对区域外的辐射干扰,达到辐射覆盖区域的高增益、高隔离度、低副瓣等设计要求。例如于2011年建成的意大利撒丁岛射电望远镜,为了满足天线不同频段的高工作性能要求,结合主动面板调整技术,不仅能主动调整面板位置以补偿电性能,还能实现其反射面表面在赋形面与抛物面之间的面型转换功能,从而天线灵活地观测在不同焦点上。
近年来,大型天线反射面的赋形与主动调整逐渐成为了研究热点,研究内容主要集中在应用PO、GO和高斯波束法对赋形反射面进行重构与设计方法,以及主动调整主面面板、调整馈源或副面到匹配位置从而补偿天线电性能的方法。在已有的一些相关研究中,例如冷国俊等的《赋形卡氏天线主面变形的副面实时补偿》中,采用了分段拟合方法近似求解,得到副面的匹配位置是不准确的,而且调整量计算的优化过程比较缓慢;闫丰等的文献《一种赋形卡式天线主面精度和主副面调整的精确计算方法》和付丽等的文献《天线面板重力变形的主动控制量计算方法研究》中,都是基于最佳吻合反射面,给出了考虑主面变形情况下的副面位姿调整方法,以及主动面板调整量的确定方法。然而这种相对于最佳吻合反射面的直接调整,得到的表面均方根误差并不是最好的,电性能也不是最优的;意大利撒丁岛射电望远镜的相关文献中,没有直接给出天线面板主动调整或面型转换的调整量确定方法。
因此有必要结合机电耦合理论,通过确定与赋形面拟合均方根误差最小的目标曲面,给出直接计算面向赋形面的大型抛物面天线主动面板促动器的最佳调整量的方法,使抛物面面板主动调整后形成的天线整体反射面更加逼近赋形面,从而提高天线电性能,用于指导实际工程中大型抛物面天线两种工作模式下的面型精准转换,这一过程即为面向赋形面的大型抛物面天线主动面板调整量的快速确定方法。
具有如下创新点:
(1)本发明是基于大型抛物面天线的主动面结构设计,可快速确定面向赋形面的主动面板促动器的最佳调整量,具有促动器总行程短的优点,可应用于主动反射面控制系统中,以保障不同工作模式下的天线电性能。
(2)本发明基于天线两种工作模式下的整体反射面面型,即抛物面和赋形面,直接准确计算出与赋形面拟合均方根误差最小的目标曲面方程,使调整后的天线反射面整体最佳逼近赋形面,能明显提高天线增益、降低副瓣电平,可用于大型抛物面天线两种工作模式下的面型精准转换,具有较高工程应用价值。
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