[发明专利]大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法

权利要求书

1.大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是：它包括如下步骤：

1）确定天线所处的时间、地理位置和姿态；

2）计算天线受到来自太阳的热流密度；

3）将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布；

4）将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形；

5）提取天线主面变形，计算天线远场方向图；

6）给出增益损失，指向误差，副瓣电平。

2.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是：所述的确定天线所处的时间、地理位置和姿态，其中，地理位置用经度和纬度表述，时间是北京时间，天线姿态用天线单元表面与水平面的夹角表述。

3.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是：所述的天线工作仰角一般是20度到70度。

4.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是：所述的将热流密度作为载荷，对天线进行热分析，得到其温度分布包括如下过程；

1）建立温度分析模型

地基的面天线包括了传导、对流和辐射全部三种传热形式：

传导的表述为：

              

其中为传导的热流密度，为导热率，为沿某方向的温度梯度；

对流的表述为：

                      

其中为对流的热流密度，为表面对流换热系数，为固体表面温度即天线温度，为流体表面温度即空气温度；

辐射的表述为：

                      (13)

其中，为辐射的热流密度，为辐射率，金属材料可取0.8，为stefan-Boltzmann常数，为，为形状系数，天线结构对大气的辐射取1，为辐射体温度即天线温度，为被辐射体温度即空气温度；

天线表面的一个单元，其满足能量守恒可以表述为 

  (14)

式中，表示热传导的面积，分别表示太阳照射、对流和辐射的面积，t表示时间，为材料密度，c为比热，V表示系统体积，表示温度变化量；

2）设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数

温度分析的边界条件主要是环境温度，考虑到太阳照射面和阴影面存在明显的温差，故使用阴面和阳面两种环境温度；面板辐射和对流的空气温度使用阳面温度，背架在阴影区，使用阴面温度；

天线背架结构的材料是钢，反射面的材料是铝，认为材料各向同性，物性参数可通过材料手册查到；

天线表面对流换热系数的取值与流固表面的相对速度有关，无风情况下，一般取5-20，主面取值15，背架取值12；

温度分析时间依据温度实验数据给定，在5分钟的时间内做连续时程分析，判读测试最高温度点对应的仿真温度与实测温度的差值小于0.2摄氏度，此时的时间就作为瞬态分析的时间；

3）通过有限元方法计算天线温度场

使用有限元方法求解，将式各变量带入式（14），并对时间求导，按照温度T合并变量，并写成矩阵形式，可得热平衡的有限元方程：

         (15)

式中，K为传导矩阵，包含了导热系数，对流系数、辐射率和形状系数，C为比热矩阵，主要体现单元内能，为单元温度，分别为温度对时间的导数，Q为单元热流率，包括所有与温度无关的能量变化；

在分析程序中设定边界条件、初始条件、材料特性和分析参数后，即可完成式（15）的计算，得到天线表面个点的温度。

5.根据权利要求1所述的大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法，其特征是：所述的将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模型，进行结构分析，得到天线变形包括如下过程：

使用ANSYS建立天线有限元模型，设置结构分析所需的各种材料属性；将温度分析所得到的天线表面个点的温度，作为温度载荷施加到天线结构有限元模型中对应的表面结点上；设置参考温度为23℃；通过ANSYS软件即可完成结构分析，得到天线的结构变形。