面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法技术

本发明专利技术公开了一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法，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；计算天线结构自重变形，提取变形抛物面的节点信息；计算其天线电性能，确定变形抛物面与理想设计面的对应节点，虚拟移动面板；计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面；确定变形抛物面与目标曲面的对应节点，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；计算变形抛物面天线指向，判断天线指向是否满足要求得到最优的面板移动拟合调整量。本发明专利技术可直接计算得出面向天线指向的促动器调整量，保证了天线工作指向和天线原有焦距。改善了天线反射面精度，综合性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，具体是一种面向天线指向的大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法，用于主动调整大型变形抛物面天线的反射面面板位置，使天线综合性能达到最优。
技术介绍
以接收功能为主的大型面天线，必须建造得既大又好，“大”，意味着有大口径和大聚集面积，可以接收更强信号，从并观测太空微弱源；“好”，意味着有较精确的反射面表面和较高的指向精度，从而实现射电望远镜“看得远、看得清、看得准”。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，天线表面形貌时变，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，从而引起天线电性能恶化问题，例如增益降低、副瓣抬高、指向偏转等。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201310393511.X，发明名称为《一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法》，专利申请号为201510114942.7，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，分别通过移动馈源、副面到最佳匹配位置，和通过天线整体方位俯仰转动调整的方法，保证天线工作指向，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，而且这些调整方法过程较繁琐，在实际应用中已无法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，然后根据天线指向，确定反射面拟合均方根误差最小的目标曲面，从而计算得到变形抛物面面板的移动拟合调整量，用于指导天线面板调整，进而提高天线综合性能，这一过程即为面向天线指向的大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法。
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天线指向的大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法，该方法针对大型变形抛物面天线，通过面板移动拟合调整方法来改善天线综合性能。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结构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；(3)利用抛物面天线机电耦合模型，计算变形抛物面天线电性能，转至步骤(8)；(4)根据天线变形抛物面的节点信息，确定变形抛物面与理想设计面的对应节点，虚拟移动面板；(5)根据天线指向，计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面；(6)根据得到的目标曲面，确定天线变形抛物面与目标曲面的对应节点，计算促动器调整量；(7)根据促动器调整量，对应调整天线面板至新的位置，更新天线结构有限元模型，转至步骤(2)；(8)根据得到的变形抛物面天线电性能，计算变形抛物面天线指向，根据大型抛物面天线的性能要求，判断天线指向是否满足要求，若不满足，进行步骤(4)，若满足，则输出促动器调整量，从而得到最优的面板移动拟合调整量。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(3)利用天线机电耦合模型，计算得到变形抛物面天线的远区电场方向图，从方向图中可以确定天线指向等电性能参数，机电耦合模型如下：式中，(θ,φ)为远区观察方向，f0(ξ,φ')为馈源方向图，为反射面表面变形对口径场相位的影响项，δ(β)为天线结构位移，β为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑和类型参数，r0为馈源到反射面一点的距离，k为波常数，A表示天线口径面，ρ'、φ'为XOY平面内的极坐标。所述步骤(4)确定变形抛物面与理想设计面的对应节点包括如下过程：(4a)根据变形后节点对目标曲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，由天线理想设计面上节点P(xi,yi,zi)的法线方向余弦，得到天线变形抛物面上的节点P1(x0,y0,z0)的法线方向余弦(li,mi,ni)： l i = - x i 2 f ( f + z i ) , m i = - y i 2 f ( f + z i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法，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结构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；(3)利用抛物面天线机电耦合模型，计算变形抛物面天线电性能，转至步骤(8)；(4)根据天线变形抛物面的节点信息，确定变形抛物面与理想设计面的对应节点，虚拟移动面板；(5)根据天线指向，计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面；(6)根据得到的目标曲面，确定天线变形抛物面与目标曲面的对应节点，计算促动器调整量；(7)根据促动器调整量，对应调整天线面板至新的位置，更新天线结构有限元模型，转至步骤(2)；(8)根据得到的变形抛物面天线电性能，计算变形抛物面天线指向，根据大型抛物面天线的性能要求，判断天线指向是否满足要求，若不满足，进行步骤(4)，若满足，则输出促动器调整量，从而得到最优的面板移动拟合调整量。...

【技术特征摘要】
1.一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法，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
形抛物面天线结构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；
(3)利用抛物面天线机电耦合模型，计算变形抛物面天线电性能，转至步骤(8)；
(4)根据天线变形抛物面的节点信息，确定变形抛物面与理想设计面的对应节点，虚拟
移动面板；
(5)根据天线指向，计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面；
(6)根据得到的目标曲面，确定天线变形抛物面与目标曲面的对应节点，计算促动器调
整量；
(7)根据促动器调整量，对应调整天线面板至新的位置，更新天线结构有限元模型，转
至步骤(2)；
(8)根据得到的变形抛物面天线电性能，计算变形抛物面天线指向，根据大型抛物面天
线的性能要求，判断天线指向是否满足要求，若不满足，进行步骤(4)，若满足，则输出促动
器调整量，从而得到最优的面板移动拟合调整量。
2.根据权利要求1所述的一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方
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所述的一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方
法，其特征在于，步骤(3)，利用天线机电耦合模型，计算变形抛物面天线的远区电场方向
图，从方向图中可以确定天线指向电性能参数，机电耦合模型如下：
式中，(θ,φ)为远区观察方向，f0(ξ,φ')为馈源方向图，为反射面表面变形
对口径场相位的影响项，δ(β)为天线结构位移，β为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形
状、拓扑和类型参数，r0为馈源到反射面一点的距离，k为波常数，A表示天线口径面，ρ'、φ'
为XOY平面内的极坐标。
4.根据权利要求1所述的一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方
法，其特征在于，步骤(4)按如下过程进行：
(4a)根据变形后节点对目标曲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，由天线理想设计面上节点P(xi,yi,zi)的法线方向余弦，得到天线变形抛物面上
的节点P1(x0,y0,z0)的法线方向余弦(li,mi,ni)：
l i = - x i 2 f ( f + z i ) , m i = - y i 2 f ( f + z i ) , n i = f f + z i ]]>得到经过节点P1(x0,y0,z0)的法线方程：
x - x 0 l = y - y 0 m = z - z 0 n ]]>(4b)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理想设计面交点
的z坐标，以及天线变形抛物面上节点P1(x0,y0,z0)对应理想设计面的法线方向的交点P0(x0',y0',z0')坐标；
(4c)依据各交点坐标，虚拟移动面板。
5.根据权利要求1所述的一种面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方
法，其特征在于，步骤(5)按如下过程进行：
(5a)基于促动器虚拟移动目标点P0i(x0i',y0i',z0i')，确定变形抛物面虚拟移动后N个
采样节点的新位置Pv(xi,yi,zi)；
(5b)根据天线工作指向，计算使反射面拟合均方根误差最小的目标曲面方程的焦距：
f g = Σ i = 1 N ( x i 2 + y i 2 ) 2 4 Σ i = 1 N ( z i ( x i 2 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，肖岚，王艳，李素兰，黄进，朱敏波，王璐，段玉虎，王志海，平丽浩，刘振宇，冷国俊，
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