[发明专利]大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型地基面天线分析方法，特别是大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法。

背景技术

国际上的大口径天线有很多，多数用于天文观测。射电天文望远镜的工作频段可能达到100-300GHz，面精度要求达到微米级，必须采用合理的热控措施。主动措施包括加天线罩保护，或者在背架上加空调系统，以降低天线的温度梯度。被动措施如表面喷涂高反射率的涂料以减少热吸收。同时实时监控天线温度和变形，配合可调副面，以保证电性能指标。主动措施的成本较高，由于有空调系统，这样的天线在热分析时，一般从环境温度出发，而不直接考虑太阳照射的影响。

对于未采用主动热控措施的天线，就必须考虑太阳照射对天线的影响。有研究表明，深空网天线阵使用的6米天线，使用液压整体成形技术，加工精度较高，但是在无风环境中太阳照射的温度变形达到0.2mm，占总精度要求的三分之一。而对中国500m口径的巨型射电望远镜的日照温度场分析表明，尽管采用主动反射面结构，在考虑微风环境下的温度变形仍然达到2mm，占总精度要求的40%。可见太阳照射的影响还是比较大的。因而有必要研究地基面天线在太阳照射下产生的热变形对天线电性能影响。

发明内容

本发明的目的是针对大型地基面天线，提供一种大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法,以便分析天线在仰天时，受环境、太阳辐射和温度变形对电性能的影响。

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。

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。

所述的天线工作仰角一般是20度到70度。

所述的地面上的天线受到太阳的照射主要由三部分组成：直接辐射、散射辐射和反射辐射，

所述的直接辐射强度是：

                                                            

反射辐射强度是：

 

散射辐射强度是：

          

式中，A为大气质量为零时的太阳辐射强度，单位，B为大气消光系数，C为散射辐射系数，为太阳高度角，它随位置、日期和时间变化；

该模型中A、B、C三个系数可由以下公式得到，

    

式中C_s为太阳常数，表示在地球大气层上界垂直于太阳表面的太阳辐射强度，约为1370，表示当前日期在一年中的序号。

天线以一定仰角工作时，天线表面与太阳照射方向是有一定角度的，此时的三种辐射分别为，

直接辐射：

        

散射辐射：

     

反射辐射：

             

式中，为大气清洁度，考虑到天线安装地点的大气质量较好，可取值1，为太阳光线与被照平面的夹角，为被照表面与水平面的夹角，为环境的反射率，草地一般取0.2，混凝土地面取0.33。

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；