面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法技术

本发明专利技术公开了一种面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法，包括：输入天线几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子；计算理想天线远区电场；建立天线结构有限元模型；提取节点、单元与形函数信息；计算单元电性能一阶系数矩阵；组集总体电性能一阶系数矩阵；进行天线结构模态分析；输出模态矩阵；计算电性能对模态的一阶灵敏度；输出模态振型等效质量分数；计算电性能对模态的重要性因子；判断重要性因子是否大于模态截断因子；若满足则选取；否则舍弃。本发明专利技术克服了传统动力学模态选取方法的不足，实现了在模态选取过程中完整考虑各阶模态对天线电性能的影响，解决了面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取的问题。

【技术实现步骤摘要】
面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法
本专利技术属于雷达天线
，具体涉及雷达天线领域中的一种面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法。
技术介绍
网状天线由于其质量轻、收拢体积小等优点被逐渐应用于空间天线设计中。网状天线在轨运行过程中，周期性地受到太空辐射热、冲击等动力载荷的影响。动力载荷带来的天线表面变形将引起天线结构发生振动，电性能增益下降、副瓣电平上升，波束倾斜，严重影响天线的工作性能。为了分析动力载荷对网状天线电性能的影响，需要首先建立天线结构动力学模型。网状天线动力学模型的建立与分析是求解动力载荷对天线电性能影响的关键步骤。网状天线结构跨度大，质量轻，结构阻尼弱等特征使天线结构具有低振动频率，模态密集，结构非线性等复杂动力特征。按照天线结构的节点与单元信息建立完整的动力学模型将使得求解异常复杂，如何从复杂的模态集合中选取影响动力学模型的关键模态，是后续建立恰当动力学模型的核心问题。Gawaronski在文献“Advancedstructuraldynamicsandactivecontrolofstructures”(NewYork,Springer,2004年出版)中，公开了一种采用传递函数H2范数为性能指标，分析各个模态及其相关性对传递函数H2范数影响的大小，进行动力学模态的选取，但该方法仅仅可以适用于面向结构动力响应的模态选取，无法实现面向电性能的动力学关键模态选取。张洁、黄进、宋瑞雪、邱丽丽在中国专利“一种面向控制的大型天线建模方法”(授权号：ZL201310496650.5)中提出了一种面向控制的大型天线动力学建模方法，该方法同样没有直接建立面向电性能进行动力学模型的建立与关键模态选取。因此，针对空间网状天线的动力学关键模态选取问题，提出了一种面向电性能的关键动力学模态选取方法，克服了传统动力学模态选取方法的不足，实现了在模态选取过程中完整考虑各阶模态对天线电性能的影响，解决了面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法。该方法从机电集成的角度出发，完整考虑各阶模态对天线电性能的影响，进行空间天线面向电性能的关键动力学模态的选取。本专利技术的技术方案是：面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构和金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；模态截断因子为无量纲小数；(2)计算理想天线远区电场根据空间网状天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，采用物理光学法计算理想天线远区电场；(3)建立天线结构有限元模型根据用户提供的天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(4)提取节点、单元与形函数信息以建立的结构有限元模型为基础，提取有限元模型中处于电磁波照射下的反射面部分的节点、单元和形函数信息；(5)计算单元电性能一阶系数矩阵通过下式计算单元电性能一阶系数矩阵：其中，表示单元e的电性能一阶系数矩阵，上标e表示从步骤(4)中提取的结构有限元模型中某一单元，下标i表示位于单元e上的节点编号，表示单元e的电性能一阶系数矩阵的第i个分量，符号∈表示从属关系，NUM表示单元e上的节点总数，表示单元e的法向矢量，表示反射面位置矢量处的入射磁场，表示反射面位置矢量，exp表示自然对数的指数运算，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，表示远场观察点的单位矢量，Qi表示步骤(4)中提取的相对于第i个节点的形函数，θs表示位置矢量在馈源坐标系下的俯仰角，下标s表示馈源坐标系，θ表示远场观察点俯仰角，σe表示单元e在口径面内的投影面积；(6)组集总体电性能一阶系数矩阵通过下式组集总体电性能一阶系数矩阵：其中，G表示总体电性能一阶系数矩阵，表示单元e的电性能一阶系数矩阵，上标e表示从步骤(4)中提取的结构有限元模型中某一单元，m表示单元总数，A表示有限元组集运算；(7)进行天线结构模态分析根据天线结构有限元模型，进行天线结构模态分析，确定天线结构无阻尼自由振动的各阶振动频率和对应的阵型模态向量与模态振型等效质量分数；(8)输出模态矩阵将天线结构的振型模态向量按列存放在模态矩阵中，并将其输出；(9)计算电性能对模态的一阶灵敏度9a)通过下式计算电性能对模态坐标的一阶导数列向量：Gq＝ΦT·G其中，Gq为电性能对模态坐标的一阶导数列向量，下标q表示模态坐标，Φ为步骤(8)输出的模态矩阵，上标T表示转置运算，G为步骤(6)得到的总体电性能一阶系数矩阵；9b)通过下式计算电性能对模态的一阶灵敏度：其中，Dq表示电性能对模态的一阶灵敏度，下标q表示模态坐标，π表示圆周率，R表示远场观察点位置矢量幅度，η表示自由空间波阻抗，P表示步骤(1)中馈源参数计算得到的总辐射功率，E0表示步骤(2)得到的理想天线远区电场，Gq为步骤(9a)得到的电性能对模态坐标的一阶导数列向量，上标*表示共轭运算，上标T表示转置运算；(10)输出模态振型等效质量分数根据天线结构有限元模型与步骤(7)的模态分析结果，输出模态振型等效质量分数；(11)计算电性能对模态的重要性因子通过下式计算电性能对模态的重要性因子：ζ＝γ·Dq其中，ζ为电性能对模态的重要性因子，γ为步骤(10)得到的模态振型等效质量分数，Dq为步骤(9)得到的电性能对模态的一阶灵敏度；(12)判断重要性因子是否大于模态截断因子判断重要性因子是否大于步骤(1)输入的模态截断因子，如果大于，则满足模态截断要求，转至步骤(13)，否则转至步骤(14)；(13)选取满足截断要求的模态当重要性因子大于模态截断因子时，选取满足截断要求的模态；(14)舍弃不满足截断要求的模态当重要性因子不大于模态截断因子时，舍弃不满足截断要求的模态。上述步骤(2)所述的物理光学法是一种基于面电流分布的高频近似方法，计算公式如下：其中，E0表示远区电场，表示远场观察点位置矢量，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对数的指数运算，R表示远场观察点位置矢量幅度，π表示圆周率，表示单位并矢，表示单位矢量的并矢，Σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量处的面电流密度，表示反射面位置矢量，表示远场观察点的单位矢量，σ表示投影口面，表示单位法向矢量，表示反射面位置矢量处的入射磁场。本专利技术的有益效果：本专利技术首先输入天线几何参数、材料参数、电参数与与模态截断因子，采用物理光学法计算理想天线远区电场，与此同时，根据几何参数、材料参数信息建立天线结构有限元模型；其次，根据天线结构有限元模型，提取节点、单元与形函数信息，计算单元电性能一阶系数矩阵，并组集总体电性能一阶系数矩阵；在天线结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构以及金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；模态截断因子为无量纲小数；(2)计算理想天线远区电场根据空间网状天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，采用物理光学法计算理想天线远区电场；(3)建立天线结构有限元模型根据用户提供的空间网状天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(4)提取节点、单元与形函数信息以建立的结构有限元模型为基础，提取有限元模型中处于电磁波照射下的反射面部分的节点、单元和形函数信息；(5)计算单元的电性能一阶系数矩阵

【技术特征摘要】
1.面向电性能的空间网状天线关键动力学模态选取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数、电参数与模态截断因子；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构以及金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；模态截断因子为无量纲小数；(2)计算理想天线远区电场根据空间网状天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，采用物理光学法计算理想天线远区电场；(3)建立天线结构有限元模型根据用户提供的空间网状天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(4)提取节点、单元与形函数信息以建立的结构有限元模型为基础，提取有限元模型中处于电磁波照射下的反射面部分的节点、单元和形函数信息；(5)计算单元的电性能一阶系数矩阵表示单元e的电性能一阶系数矩阵，上标e表示从步骤(4)中提取的结构有限元模型中某一单元；(6)组集总体电性能一阶系数矩阵通过下式组集总体电性能一阶系数矩阵：其中，G表示总体电性能一阶系数矩阵，表示单元e的电性能一阶系数矩阵，上标e表示从步骤(4)中提取的结构有限元模型中某一单元，m表示单元总数，A表示有限元组集运算；(7)进行天线结构模态分析根据天线结构有限元模型，进行天线结构模态分析，确定天线结构无阻尼自由振动的各阶振动频率和对应的阵型模态向量与模态振型等效质量分数；(8)输出模态矩阵将天线结构的振型模态向量按列存放在模态矩阵中，并将其输出；(9)计算电性能对模态的一阶灵敏度9a)通过下式计算电性能对模态坐标的一阶导数列向量：Gq＝ΦT·G其中，Gq为电性能对模态坐标的一阶导数列向量，下标q表示模态坐标，Φ为步骤(8)输出的模态矩阵，上标T表示转置运算，G为步骤(6)得到的总体电性能一阶系数矩阵；9b)通过下式计算电性能对模态的一阶灵敏度：其中，Dq表示电性能对模态的一阶灵敏度，下标q表示模态坐标，π表示圆周率，R表示远场观察点位置矢量幅度，η表示自由空间波阻抗，P表示步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张树新，杜敬利，张岳震，张洁，杨东武，张逸群，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61