一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法技术

本发明专利技术公开了一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，包括确定抛物面天线结构方案及促动器初始位置，建立天线结构有限元模型、促动器支撑面板节点；确定抛物面变形误差上限；计算天线结构自重变形，提取变形抛物面节点信息；计算天线最佳吻合抛物面和变形抛物面的均方根误差；确定变形抛物面与最佳吻合抛物面的对应节点；计算促动器调整量；调整面板位置，更新天线结构有限元模型；根据天线增益要求确定抛物面变形误差上限，判断误差是否在允许范围内，得到最优精度的调整量。本发明专利技术可直接计算得出面向增益的促动器调整量，促动器总行程最短，实时性好，天线面精度最优、口面效率最高，从而解决天线因自重变形引起的电性能恶化问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，具体是一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，用于主动调整大型变形抛物面天线的反射面面板位置，使天线增益和口面效率达到最优。
技术介绍
面对射电望远镜大口径、高频段的发展趋势，在复杂环境中服役的大型天线受到自重、温度和风荷等因素影响下会产生结构变形，并且服役过程中天线进行俯仰方位转动，另外还存在制造、安装等随机误差，它们共同导致了天线结构变形，从而引起天线表面精度降低，使天线口面效率和增益恶化。此时有必要对天线反射面的空间位置与几何形状进行调整，即主动反射面调整，这是补偿天线电性能最有效的手段。目前国内外多部大型射电望远镜都已经采用了或即将采用主动反射面调整技术，例如美国GBT、墨西哥LMT、意大利SRT、智利CCAT和中国天马望远镜。一些早年建造的大型天线，例如德国1971年的Effelsberg100米天线和美国1964年的Haystack37米天线，都于二十世纪初将其副面升级为可变形副面。目前我国正在建设的FAST500米天线和计划在新疆建造的QTT110米天线也将应用这一技术。可见面对大型抛物面天线的发展趋势，采用主动反射面调整技术是大势所趋。在已有的一些与大型天线电性能补偿的相关专利中，比如西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室的专利申请号为201510114942.7，发明名称为《一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的副面补偿方法》，和专利申请号为201510548132.2，专利技术名称为《一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法》，它们都是基于传统的天线结构形式，分别通过匹配副面到最佳位置和通过天线整体方位俯仰转动调整的方法，进而调整天线指向，然而天线型面仍然存在变形，无法弥补天线增益损失和口面效率低的问题，在实际应用中难以满足大型天线的工作性能补偿。因此，有必要基于天线主动反射面的结构设计形式和面板主动调整方法，根据天线结构和面板的重力变形信息，对其进行分析，进而得到抛物面的变形情况，然后根据最佳吻合抛物面作为目标曲面来确定变形抛物面面板的调整量，用于指导天线面板调整，进而改善天线电性能，这一过程即为面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法。
技术实现思路
针对以前调整方法存在的不足，本文专利技术了一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，该方法针对大型变形抛物面天线，通过面板主动调整方法来改善天线电性能。为了实现上述目的，本专利技术提供的调整方法包括如下步骤：(1)根据大型抛物面天线的结构参数、工作频率及材料属性，确定天线结构方案及促动器初始位置，在有限元力学分析软件中建立理想情况下天线结构有限元模型，并确定促动器支撑面板节点；(2)根据天线增益要求，确定天线抛物面变形误差上限；(3)根据建立的理想情况下天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对未变形抛物面天线有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取天线变形抛物面的节点信息；(4)基于天线变形抛物面的节点信息，利用最小二乘原理，计算天线最佳吻合抛物面，并根据天线最佳吻合抛物面，计算天线变形抛物面的均方根误差，转至步骤(8)；(5)根据天线变形抛物面的节点信息，确定天线变形抛物面与最佳吻合抛物面的对应节点；(6)根据促动器支撑面板节点，计算促动器调整量；(7)根据促动器调整量，对应调整面板至新位置，更新天线结构有限元模型，转至步骤(3)；(8)根据天线增益要求确定的抛物面变形误差上限，判断变形抛物面的均方根误差是否在变形误差允许范围内，若不在允许范围内，转至步骤5，若在允许范围内，则输出促动器调整量，从而得到最优精度的调整量。所述大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距；所述大型抛物面天线的材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、弹性模量。所述步骤(2)确定抛物面变形误差上限，包括如下过程：(2a)根据天线增益要求，确定天线允许的最大增益损失值ΔG；(2b)基于天线允许的最大增益损失值ΔG，计算天线变形抛物面的法向均方根值εn，公式如下：式中，λ为天线工作波长，为相关因子，其中F/D为天线焦径比。所述步骤(4)计算天线最佳吻合抛物面，并计算变形抛物面的均方根误差包括如下过程：(4a)基于天线结构有限元模型，提取理想设计面上N个采样节点的理论坐标P(xi,yi,zi)，根据天线变形抛物面的节点信息，提取天线变形抛物面上的N个采样点P1(x0,y0,z0)，假设P0(x0',y0',z0')是天线最佳吻合抛物面上的N个采样节点之一，利用变形抛物面对最佳吻合抛物面的坐标误差Δr＝r(P1)-r(P0)，根据最小二乘原理，构造方程组A·β＝H，β＝(ΔxΔyΔzφxφyΔf)T，其中A为系数，β为天线最佳吻合抛物面的参数，N为采样点个数，f为理想设计面的焦距；(4b)求解上述方程组，得到天线最佳吻合抛物面的参数β，即Δx、Δy、Δz、φx、φy和Δf，其中Δx、Δy、Δz为天线最佳吻合抛物面顶点在坐标系中相对于理想设计面顶点的位移，φx、φy分别为天线最佳吻合抛物面的焦轴绕坐标轴x、y的转角(逆时针为正，微小量)，Δf为焦距变化量，并确定天线最佳吻合抛物面的方程为：(4c)根据变形后节点对天线最佳吻合抛物面的法线方向余弦等于理想设计面上相应节点的法线方向余弦，由理想设计面上采样节点的理论坐标P(xi,yi,zi)的法线方向余弦，得到变形抛物面上的采样节点P1(x0,y0,z0)的法线方向余弦(li,mi,ni)：得到经过采样节点P1(x0,y0,z0)的法线方程：(4d)求解法线方程，得到过天线变形抛物面上节点的法线方向直线与最佳吻合抛物面交点的z坐标，以及天线变形抛物面上采样节点P1(x0,y0,z0)对应天线最佳吻合抛物面的法线方向的交点P0(x0',y0',z0')坐标，即天线最佳吻合抛物面上采样节点，并利用如下公式，计算天线变形抛物面上节点P1相对于天线最佳吻合抛物面上节点P0的法向偏差：(4e)依据各节点的法向偏差，计算整个天线变形抛物面的法向均方根误差为：所述步骤(5)确定变形抛物面与最佳吻合抛物面的对应节点包括如下过程：(5a)由理想设计面上促动器支撑面板的节点的法线方向余弦，得到变形抛物面上促动器支撑面板的节点的法线方向余弦(ui,vi,wi)：(5b)提取促动器支撑面板节点，由理想设计面上促动器支撑面板的节点的法线方向余弦，得到经过天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点的法线方程：...

【技术保护点】
一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，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、工作频率及材料属性，确定天线结构方案及促动器初始位置，在有限元力学分析软件中建立理想情况下的天线结构有限元模型，并确定促动器支撑面板节点；(2)根据天线增益要求，确定天线抛物面变形误差上限；(3)根据建立的理想情况下的天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对未变形抛物面天线有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取天线变形抛物面的节点信息；(4)基于天线变形抛物面的节点信息，利用最小二乘原理，计算天线最佳吻合抛物面，并根据天线最佳吻合抛物面，计算天线变形抛物面的均方根误差，转至步骤(8)；(5)根据天线变形抛物面的节点信息，确定天线变形抛物面与最佳吻合抛物面的对应节点；(6)根据促动器支撑面板节点，计算促动器调整量；(7)根据促动器调整量，对应调整面板至新的位置，更新天线结构有限元模型，转至步骤(3)；(8)根据天线增益要求确定的抛物面变形误差上限，判断变形抛物面的均方根误差是否在变形误差允许范围内，若不在允许范围内，转至步骤5，若在允许范围内，则输出促动器调整量，从而得到最优精度的调整量。...

【技术特征摘要】
1.一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，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、工作频率及材料属性，确定天线结构方案及促动
器初始位置，在有限元力学分析软件中建立理想情况下的天线结构有限元模型，并确定促
动器支撑面板节点；
(2)根据天线增益要求，确定天线抛物面变形误差上限；
(3)根据建立的理想情况下的天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对未变
形抛物面天线有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取天线变形抛物面
的节点信息；
(4)基于天线变形抛物面的节点信息，利用最小二乘原理，计算天线最佳吻合抛物面，
并根据天线最佳吻合抛物面，计算天线变形抛物面的均方根误差，转至步骤(8)；
(5)根据天线变形抛物面的节点信息，确定天线变形抛物面与最佳吻合抛物面的对应
节点；
(6)根据促动器支撑面板节点，计算促动器调整量；
(7)根据促动器调整量，对应调整面板至新的位置，更新天线结构有限元模型，转至步
骤(3)；
(8)根据天线增益要求确定的抛物面变形误差上限，判断变形抛物面的均方根误差是
否在变形误差允许范围内，若不在允许范围内，转至步骤5，若在允许范围内，则输出促动器
调整量，从而得到最优精度的调整量。
2.根据权利要求1所述的一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，其
特征在于，步骤(1)中，所述大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距；所述大型
抛物面天线的材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、弹性模量。
3.根据权利要求1所述的一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，其
特征在于，步骤(2)按如下过程进行：
(2a)根据天线增益要求，确定天线允许的最大增益损失值ΔG；
(2b)基于天线允许的最大增益损失值ΔG，计算天线变形抛物面的法向均方根值εn：
ϵn=λ-ΔGln100.14πkf]]>式中，λ为天线工作波长，为相关因子，其中F/D为天线焦径
比。
4.根据权利要求1所述的一种面向增益的大型变形抛物面天线面板精度调整方法，其
特征在于，步骤(4)按如下过程进行：
(4a)基于天线结构有限元模型，提取理想设计面上N个采样节点的理论坐标P(xi,yi,
zi)，根据天线变形抛物面的节点信息，提取天线变形抛物面上的N个采样点P1(x0,y0,z0)，假
设P0(x0',y0',z0')是天线最佳吻合抛物面上的N个采样节点之一，利用变形抛物面对最佳
吻合抛物面的坐标误差Δr＝r(P1)-r(P0)，根据最小二乘原理，构造方程组A·β＝H，
A=Σi=1Nxi22fΣxiyi2f-Σxi-ΣxiyiΣxi2ΣxizifΣi=1Nxiyi2fΣyi22f-Σyi-Σyi2ΣxiyiΣyizifΣi=1Nxizi2fΣyizi2f-Σzi-ΣyiziΣxiziΣzi2fΣi=1Nxi2fΣyi2f-N-ΣyiΣxiΣzif,]]>β＝(ΔxΔyΔzφxφyΔf)Τ，
H=Σi=1N(zi-zi′)xiΣi=1N(zi-zi′)yiΣi=1N(zi-zi′)ziΣi=1N(zi-zi′)T,]]>其中A为系数，β为天线最佳吻合抛物面的参数，N为采样点个数，f为理想设计面的焦
距；
(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，肖岚，王伟，陈光达，米建伟，周金柱，宋立伟，钟剑锋，郑元鹏，姜潮，苗恩铭，陈卯蒸，
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