基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，具体步骤包括：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程；(4)索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型；(6)结构与电磁灵敏度计算；(7)计算Hessian矩阵；(8)更新索段长度；(9)结构与电磁重分析；(10)判断是否满足收敛条件；(11)输出圆极化网状天线结构设计方案。本发明专利技术基于机电集成优化的概念，采用结构与电磁灵敏度分析的方法考虑了索网结构参数对天线电性能的影响，从机电集成的角度实现圆极化网状天线高指向精度设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，具体涉及雷达天线领域中的一种基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法。
技术介绍
圆极化天线常常被用于星载天线设计中。由于星载偏置反射面天线独特的结构特性，在圆极化激励下，偏置反射面天线的远场方向图会产生波束倾斜现象。随着网状天线以其质量轻、收拢体积小等优点被逐渐应用于星载天线中，圆极化激励下的网状天线也会出现波束倾斜现象。这将严重影响圆极化网状天线的指向精度，进而影响网状天线在卫星通信、深空探测、射电天文等领域的应用，因此有必要针对圆极化网状天线进行高指向精度设计。Shenheng Xu等在文献“Anovel beam squint compensation technique for circularly polarized conic-section reflector antennas”(IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.58,no.2,pp.307-317,2010.)中提出了一种简单的波束倾斜补偿方法。该方法的主要思想就是在垂直面内通过移动馈源实现天线口径面相位分布均匀，进而达到高指向精度设计。该方法虽然简单，但在实际工程应用中，网状天线很容易受到结构系统误差、随机误差的影响，此方法无法考虑到影响网状天线性能实现的结构因素。A.Zamanifekri等人在文献“Beam squint compensation in circularly polarized offset reflector antennas using a sequentially rotated focal-plane array”(IEEE Antennas and wireless Propagation Letters,vol.14,pp.815-818,2015)中提出采用焦平面阵列馈源的方式实现圆极化波束倾斜现象的补偿。该方法同样无法考虑网状天线的结构因素。因此，针对受结构因素影响的圆极化网状天线而言，在进行波束倾斜现象补偿设计的过程中，需要考虑到天线的结构因素，尤其是结构因素对电性能的影响，从机电集成的角度出发进行圆极化网状天线高指向精度设计。
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，提供一种基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法。该方法通过采用结构与电磁灵敏度信息，考虑结构因素尤其是索网结构参数对天线电性能的影响，从机电集成的角度实现圆极化网状天线高指向精度设计。本专利技术的技术方案是：基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，包括如下步骤：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含圆极化网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量、索张力许用值的结构参数，包含工作波长、馈源参数、主轴方向系数下限要求、指向精度要求的电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息以圆极化网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的圆极化网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为高指向精度设计的初始结构，获得包含节点、单元、连接关系在内的圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程根据圆极化网状天线结构信息中的节点、单元与连接关系，建立圆极化网状天线结构平衡方程 Σ t T i t l i t ( x i - x t ) = 0 ]]> Σ t T i t l i t ( y i - y t ) = 0 ]]> Σ t T i t l i t ( z i - z t ) = 0 ]]>其中，Tit表示由节点i与节点t构成的单元it上的索张力，lit为单元it长度，下标it表示由节点i与节点t构成的单元，xi，yi，zi和xt，yt，zt分别为节点i和节点t在x，y，z三个方向上的坐标，Σ表示围绕节点t进行叠加运算；(4)索张力优化设计根据结构平衡方程，对处于理想状态下的圆极化网状天线进行索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型根据圆极化网状天线结构参数与电参数，以主轴方向系数为目标函数，以索段长度为设计变量，以主轴方向系数下限要求、高指向精度要求与索张力许用值为约束函数，建立圆极化网状天线高指向精度设计的机电集成优化模型：find L＝[L1,L2,…,Lm]Tmin-Ds.t.D≥Dθ0≥θ T ‾ ≤ T ≤ T ‾ ]]> L ‾ ≤ L ≤ L ‾ ]]>其中，L为圆极化网状天线索段长度列向量，上标T为转置运算符号，Lm为第m根索段长度，m为索段总数，D为圆极化网状天线主轴方向系数，D为主轴方向系数下限值，θ0为圆极化网状天线指向精度，θ为指向精度要求，T为结构参数中索张力列向量，T、分别为索张力列向量下限、上限值，L、分别为索段长度列向量下限、上限值；(6)结构与电磁灵敏度计算针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，得到圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量 K = K t T G ]]>其中，K为经过结构与电磁敏度分析后得到的圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，上标T为转置运算符号，G为圆极化本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含圆极化网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量、索张力许用值的结构参数，包含工作波长、馈源参数、主轴方向系数下限要求、指向精度要求的电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息以圆极化网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的圆极化网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为高指向精度设计的初始结构，获得包含节点、单元、连接关系在内的圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程根据圆极化网状天线结构信息中的节点、单元与连接关系，建立圆极化网状天线结构平衡方程ΣtTitlit(xi-xt)=0]]>ΣtTitlit(yi-yt)=0]]>ΣtTitlit(zi-zt)=0]]>其中，Tit表示由节点i与节点t构成的单元it上的索张力，lit为单元it长度，下标it表示由节点i与节点t构成的单元，xi，yi，zi和xt，yt，zt分别为节点i和节点t在x，y，z三个方向上的坐标，Σ表示围绕节点t进行叠加运算；(4)索张力优化设计根据结构平衡方程，对处于理想状态下的圆极化网状天线进行索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型根据圆极化网状天线结构参数与电参数，以主轴方向系数为目标函数，以索段长度为设计变量，以主轴方向系数下限要求、高指向精度要求与索张力许用值为约束函数，建立圆极化网状天线高指向精度设计的机电集成优化模型：findL=[L1,L2,...,Lm]Tmin-Ds.t.D≥D‾θ0≥θ‾T‾≤T≤T‾L‾≤L≤L‾]]>其中，L为圆极化网状天线索段长度列向量，上标T为转置运算符号，Lm为第m根索段长度，m为索段总数，D为圆极化网状天线主轴方向系数，D为主轴方向系数下限值，θ0为圆极化网状天线指向精度，θ为指向精度要求，T为结构参数中索张力列向量，T、分别为索张力列向量下限、上限值，L、分别为索段长度列向量下限、上限值；(6)结构与电磁灵敏度计算针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，得到圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量K=KtTG]]>其中，K为经过结构与电磁敏度分析后得到的圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，上标T为转置运算符号，G为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(7)计算Hessian矩阵针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵H=KtTHtKt]]>其中，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，Ht为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的Hessian矩阵；(8)更新索段长度将优化模型中的目标函数相对索段长度进行二次展开，约束函数进行一次展开，将优化模型转化为二次规划形式，findΔL=[ΔL1,ΔL2,...,ΔLm]Tmin-D0-KTΔL-12ΔLTHΔLs.t.KTΔL≥D‾-D0KvΔL≤T‾-KvΔL≤-T‾ΔL‾≤ΔL≤ΔL‾]]>其中，ΔL为索段长度列向量增量，ΔLm为第m根索段长度增量，m为索段总数，上标T表示转置运算，D0为理想状态下的圆极化网状天线主轴方向系数，K为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，D为主轴方向系数下限值，Kv为索张力列向量对索段长度列向量的灵敏度矩阵，T、分别为索张力列向量下限、上限值，ΔL、分别为索段长度列向量增量的下限、上限值；对优化模型进行求解，设ΔL(i)为第i次迭代求解得到的索段长度列向量增量，那么索段长度更新为L(i+1)＝L(i)+ΔL(i)其中，L(i)为第i次迭代时的索段长度列向量，L(i+1)为下一次，即第i+1次的索段长度列向量；(9)结构与电磁重分析将更新后的索段长度列向量代入圆极化网状天线结构中，对...

【技术特征摘要】
1.基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入圆极化网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含圆极化网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量、索张力许用值的结构参数，包含工作波长、馈源参数、主轴方向系数下限要求、指向精度要求的电参数；(2)获得圆极化网状天线结构信息以圆极化网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的圆极化网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为高指向精度设计的初始结构，获得包含节点、单元、连接关系在内的圆极化网状天线结构信息；(3)构造结构平衡方程根据圆极化网状天线结构信息中的节点、单元与连接关系，建立圆极化网状天线结构平衡方程 Σ t T i t l i t ( x i - x t ) = 0 ]]> Σ t T i t l i t ( y i - y t ) = 0 ]]> Σ t T i t l i t ( z i - z t ) = 0 ]]>其中，Tit表示由节点i与节点t构成的单元it上的索张力，lit为单元it长度，下标it表示由节点i与节点t构成的单元，xi，yi，zi和xt，yt，zt分别为节点i和节点t在x，y，z三个方向上的坐标，Σ表示围绕节点t进行叠加运算；(4)索张力优化设计根据结构平衡方程，对处于理想状态下的圆极化网状天线进行索张力优化设计；(5)建立机电集成优化模型根据圆极化网状天线结构参数与电参数，以主轴方向系数为目标函数，以索段长度为设计变量，以主轴方向系数下限要求、高指向精度要求与索张力许用值为约束函数，建立圆极化网状天线高指向精度设计的机电集成优化模型： f i n d L = [ L 1 , L 2 , ... , L m ] T min - D s . t . D ≥ D ‾ θ 0 ≥ θ ‾ T ‾ ≤ T ≤ T ‾ L ‾ ≤ L ≤ L ‾ ]]>其中，L为圆极化网状天线索段长度列向量，上标T为转置运算符号，Lm为第m根索段长度，m为索段总数，D为圆极化网状天线主轴方向系数，D为主轴方向系数下限值，θ0为圆极化网状天线指向精度，θ为指向精度要求，T为结构参数中索张力列向量，T、分别为索张力列向量下限、上限值，L、分别为索段长度列向量下限、上限值；(6)结构与电磁灵敏度计算针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，得到圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量 K = K t T G ]]>其中，K为经过结构与电磁敏度分析后得到的圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，上标T为转置运算符号，G为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(7)计算Hessian矩阵针对此圆极化网状天线结构参数与电参数，计算圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵 H = K t T H t K t ]]>其中，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，Ht为圆极化网状天线主轴方向系数对节点位移的Hessian矩阵；(8)更新索段长度将优化模型中的目标函数相对索段长度进行二次展开，约束函数进行一次展开，将优化模型转化为二次规划形式， f i n d Δ L = [ ΔL 1 , ΔL 2 , ... , ΔL m ] T min - D 0 - K T Δ L - 1 2 ΔL T H Δ L s . t . K T Δ L ≥ D ‾ - D 0 K v Δ L ≤ T ‾ - K v Δ L ≤ - T ‾ Δ L ‾ ≤ Δ L ≤ Δ L ‾ ]]>其中，ΔL为索段长度列向量增量，ΔLm为第m根索段长度增量，m为索段总数，上标T表示转置运算，D0为理想状态下的圆极化网状天线主轴方向系数，K为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的导数列向量，H为圆极化网状天线主轴方向系数对索段长度的Hessian矩阵，D为主轴方向系数下限值，Kv为索张力列向量对索段长度列向量的灵敏度矩阵，T、分别为索张力列向量下限、上限值，ΔL、分别为索段长度列向量增量的下限、上限值；对优化模型进行求解，设ΔL(i)为第i次迭代求解得到的索段长度列向量增量，那么索段长度更新为L(i+1)＝L(i)+ΔL(i)其中，L(i)为第i次迭代时的索段长度列向量，L(i+1)为下一次，即第i+1次的索段长度列向量；(9)结构与电磁重分析将更新后的索段长度列向量代入圆极化网状天线结构中，对此时的圆极化网状天线进行结构与电磁重分析，获得圆极化网状天线的结构性能与包含主轴方向系数、指向精度在内的电性能；(10)判断是否满足收敛条件判断圆极化网状天线电性能是否满足主轴方向系数下限要求与指向精度要求，满足要求则转至步骤(11)，不满足要求，则转至步骤(6)；(11)输出圆极化网状天线结构设计方案输出优化后得到的圆极化网状天线索段长度数据。2.根据权利要求1所述的基于机电集成优化的圆极化网状天线高指向精度设计方法，其特征在于，步骤(6)中结构灵敏度计算按照下式获得节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵 K t = - ( K c 11 ) - 1 K s 1 ]]>其中，Kt为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，分别为索网力平衡方程中的分块矩阵，且 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张树新，杜敬利，段宝岩，杨东武，张逸群，李申，杨癸庚，宗亚雳，
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