基于结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于结构‑电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法，具体步骤包括：(1)输入星载网状天线结构参数与电参数；(2)获得星载网状天线结构信息；(3)建立机电集成优化模型；(4)结构与电磁灵敏度计算；(5)简化并求解优化模型；(6)结构与电磁重分析；(7)判断是否满足赋形要求；(8)输出星载网状天线结构设计方案。本发明专利技术基于结构与电磁灵敏度信息，考虑了索网结构参数对天线电性能的影响，从结构与电磁集成的角度完成星载网状天线波束赋形设计。

【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结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法。
技术介绍
在卫星通信中，为了提高能量的利用效率以及满足特殊方向图形状要求，需要对星载天线的辐射方向图进行波束赋形。赋形天线是由馈源发出的信号经赋形反射面反射后在远场产生与覆盖区域相匹配的方向图。由于星载天线的波束形成网络比较复杂，常会增加严重的射频损耗与系统重量，因此星载天线一般采用单馈源赋形反射面来实现要求的赋形波束。同时，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，有必要针对星载网状天线进行波束赋形设计。目前针对单馈源赋形反射面天线的研究工作主要集中在口径场优化法、反射面直接展开法。对于实体面天线而言，这些均是从天线电性能要求出发，可以设计出满足波束赋形要求的赋形反射面。然而，对于由前网面、后网面、竖向索、周边桁架、金属丝网结构组成的网状天线而言，由于网状天线反射面形状受索网结构影响较大，单单从电磁场学科的角度进行波束赋形很难考虑网状天线独特的结构特性。B.Gonzalez-Valdes等人在文献“Generating contoured beams with single-shaped reflectors using a iterative field-matrix approach”(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.7,pp.697-700,2008.)中公开了一种基于场矩阵迭代法的波束赋形方法。该方法将反射面划分为一系列三角形单元，通过采用一阶泰勒级数展开，建立远区辐射电场与节点变形量的线性方程组；采用奇异值分解法结合正则化方法反求出变形量。该方法要求三角形尺寸较小，容易造成反射面不连续，且也没有考虑到网状天线独特的结构特性。张树新等人在中国专利“基于敏度信息的索网反射面天线型面赋形方法”中，公开了一种基于敏度信息的索网反射面天线型面赋形方法。该方法以索网反射面天线节点轴向坐标为设计变量，基于电性能对节点轴向坐标的灵敏度信息，对索网反射面天线进行赋形设计。虽然该方法以灵敏度信息为基础，但是该方法没有考虑到网状天线独特的结构特性，仅仅设计了天线反射面形状，没有直接以网状天线的结构参数为优化设计变量。因此，有必要针对目前网状天线波束赋形方法的不足，直接以结构参数为优化设计变量进行网状天线波束赋形设计。
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，提供一种基于结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法。该方法通过采用结构与电磁灵敏度信息，建立天线电性能对结构设计变量的直接关系，以此考虑到网状天线结构设计特点进行波束赋形设计。本专利技术的技术方案是：基于结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法，包括如下步骤：(1)输入星载网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含星载网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量的结构参数，包含工作波长、馈源参数、赋形要求和赋形区域方向系数最小值的电参数。(2)获得星载网状天线结构信息以星载网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的星载网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为赋形设计的初始拓扑结构，获得所述星载网状天线的结构信息；(3)建立机电集成优化模型根据赋形要求的星载网状天线结构参数和电参数信息，以星载网状天线索段长度为设计变量，以赋形要求为目标函数，以赋形区域方向系数最小值与索拉力为约束函数，建立网状天线波束赋形的机电集成优化模型：find L＝[L1,L2,…,Lm]T m i n Γ = 1 N c Σ i = 1 N c | D i - D ‾ | 2 ]]>s.t.Di≥D,i＝1,2,…,Nc T ‾ ≤ T ≤ T ‾ ]]> L ‾ ≤ L ≤ L ‾ ]]>其中，L为星载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，Γ为赋形要求的目标函数，Nc表示赋形要求的远场观察方向个数，Di为第i个观察点的方向系数，D为方向系数下限值，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；(4)结构与电磁灵敏度计算针对此星载网状天线结构参数与电参数，计算星载网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，将第i个观察点方向系数表示为索段长度的函数 D i = D i , 0 + K i T Δ L ]]>其中，Di为第i个观察点的方向系数，Di,0为理想状态下的方向系数，ΔL为索段长度列向量增量，Ki为经过结构与电磁灵敏度计算后得到的第i个观察点方向系数对索段长度的导数列向量，上标T为转置运算符号；导数列向量Ki由结构与电磁灵敏度相乘获得 K i = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于结构‑电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入星载网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含星载网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量的结构参数，包含工作波长、馈源参数、赋形要求和赋形区域方向系数最小值的电参数；(2)获得星载网状天线结构信息以星载网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的星载网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为赋形设计的初始拓扑结构，获得所述星载网状天线的结构信息；(3)建立机电集成优化模型根据赋形要求的星载网状天线结构参数和电参数信息，以星载网状天线索段长度为设计变量，以赋形要求为目标函数，以赋形区域方向系数最小值与索拉力为约束函数，建立网状天线波束赋形的机电集成优化模型：find L＝[L1,L2,…,Lm]TminΓ=1NcΣi=1Nc|Di-D‾|2]]>s.t. Di≥D,i＝1,2,…,NcT‾≤T≤T‾]]>L‾≤L≤L‾]]>其中，L为星载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，Γ为赋形要求的目标函数，Nc表示赋形要求的远场观察方向个数，Di为第i个观察点的方向系数，D为方向系数下限值，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；(4)结构与电磁灵敏度计算针对此星载网状天线结构参数与电参数，计算星载网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，将第i个观察点方向系数表示为索段长度的函数Di=Di,0+KiTΔL]]>其中，Di为第i个观察点的方向系数，Di,0为理想状态下的方向系数，ΔL为索段长度列向量增量，Ki为经过结构与电磁灵敏度计算后得到的第i个观察点方向系数对索段长度的导数列向量，上标T为转置运算符号；导数列向量Ki由结构与电磁灵敏度相乘获得Ki=KtTGi]]>其中，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，Gi为第i个观察点方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(5)简化并求解优化模型采用结构与电磁灵敏度信息将步骤(3)中的优化模型转化为线性形式，转化后的机电集成优化设计模型为：find ΔL＝[ΔL1,ΔL2,…,ΔLm]Tmin Γ＝2BTAΔL+BTBs.t.KΔL≥-NcB]]>KvΔL≤T‾]]>‑KvΔL≤‑TΔL‾≤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，Γ为赋形要求的目标函数，B为方向系数下限约束转换后得到的列向量A为观察点方向系数对索段长度导数列向量组成的对角阵K为观察点方向系数对索段长度导数列向量组成的总灵敏度矩阵K＝[K1,K2,…,KNc]T，Kv为索张力列向量对索段长度列向量的敏度矩阵，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；(6)结构与电磁重分析将更新后的索段长度列向量代入星载网状天线结构中，对此时的星载网状天线结构进行结构与电磁重分析，获得星载网状天线结构性能与电性能；(7)判断是否满足赋形要求判断星载网状天线电性能是否满足波束赋形要求，满足要求则转至步骤(8)，不满足要求，则转至步骤(4)；(8)输出星载网状天线结构设计方案输出优化后得到的星载网状天线索段长度数据。...

【技术特征摘要】
1.基于结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入星载网状天线结构参数与电参数输入用户提供的包含星载网状天线口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离、索单元横截面积、杨氏弹性模量的结构参数，包含工作波长、馈源参数、赋形要求和赋形区域方向系数最小值的电参数；(2)获得星载网状天线结构信息以星载网状天线投影口径中心为面片划分的起点，对理想状态下的星载网状天线进行网格划分，将网格划分的结果作为赋形设计的初始拓扑结构，获得所述星载网状天线的结构信息；(3)建立机电集成优化模型根据赋形要求的星载网状天线结构参数和电参数信息，以星载网状天线索段长度为设计变量，以赋形要求为目标函数，以赋形区域方向系数最小值与索拉力为约束函数，建立网状天线波束赋形的机电集成优化模型：find L＝[L1,L2,…,Lm]T m i n Γ = 1 N c Σ i = 1 N c | D i - D ‾ | 2 ]]>s.t. Di≥D,i＝1,2,…,Nc T ‾ ≤ T ≤ T ‾ ]]> L ‾ ≤ L ≤ L ‾ ]]>其中，L为星载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，Γ为赋形要求的目标函数，Nc表示赋形要求的远场观察方向个数，Di为第i个观察点的方向系数，D为方向系数下限值，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；(4)结构与电磁灵敏度计算针对此星载网状天线结构参数与电参数，计算星载网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，将第i个观察点方向系数表示为索段长度的函数 D i = D i , 0 + K i T Δ L ]]>其中，Di为第i个观察点的方向系数，Di,0为理想状态下的方向系数，ΔL为索段长度列向量增量，Ki为经过结构与电磁灵敏度计算后得到的第i个观察点方向系数对索段长度的导数列向量，上标T为转置运算符号；导数列向量Ki由结构与电磁灵敏度相乘获得 K i = K t T G i ]]>其中，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，Gi为第i个观察点方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(5)简化并求解优化模型采用结构与电磁灵敏度信息将步骤(3)中的优化模型转化为线性形式，转化后的机电集成优化设计模型为：find ΔL＝[ΔL1,ΔL2,…,ΔLm]Tmin Γ＝2BTAΔL+BTB s . t . K Δ L ≥ - N c B ]]> K v Δ L ≤ T ‾ ]]>-KvΔL≤-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，Γ为赋形要求的目标函数，B为方向系数下限约束转换后得到的列向量A为观察点方向系数对索段长度导数列向量组成的对角阵K为观察点方向系数对索段长度导数列向量组成的总灵敏度矩阵K＝[K1,K2,…,KNc]T，Kv为索张力列向量对索段长度列向量的敏度矩阵，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；(6)结构与电磁重分析将更新后的索段长度列向量代入星载网状天线结构中，对此时的星载网状天线结构进行结构与电磁重分析，获得星载网状天线结构性能与电性能；(7)判断是否满足赋形要求判断星载网状天线电性能是否满足波束赋形要求，满足要求则转至步骤(8)，不满足要求，则转至步骤(4)；(8)输出星载网状天线结构设计方案输出优化后得到的星载网状天线索段长度数据。2.根据权利要求1所述的基于结构-电磁集成灵敏度信息的星载网状天线波束赋形设计方法，其特征在于，步骤(4)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 K c 11 = ΣK c k ]]> K s 1 = ΣK s k ]]>其中，Σ表示标准的有限元组集运算，Kck为单元轴向刚度矩阵，Ksk为索几何刚度矩阵，单元轴向刚度矩阵Kck和索几何刚度矩阵Ksk由下式得到 K c k = k c k - k c k - k c k k c k ]]> K s k = k s k - k s k ]]>且 k c k = E A L 3 2 L 0 - L L ( r p - r q ) ( r p - r q ) T ...

【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，
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