[发明专利]最优焦距下伞状天线机电集成优化设计方法

权利要求书

1.最优焦距下伞状天线机电集成优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)输入伞状天线几何参数、材料参数与电参数

输入用户提供的伞状天线几何参数、材料参数与电参数；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离和肋数；材料参数包括索结构、背架肋结构和金属丝网结构的尺寸、材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比和天线载荷参数；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；

(2)计算伞状天线最优焦距

根据用户提供的天线几何参数，按照下式计算伞状天线最优焦距：

其中，f_s表示伞状天线最优焦距，下标s表示区别于理想天线的伞状天线，f表示用户输入的伞状天线几何参数中的焦距，π表示圆周率，N表示肋数；

(3)计算最优焦距下理想天线远区电场

根据伞状天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，将馈源平移至最优焦距位置处，采用物理光学法计算最优焦距下理想天线远区电场；

(4)根据用户提供的天线几何参数与电参数计算天线肋的分段数；

(5)根据用户提供的天线几何参数与肋的分段数，计算肋上点的坐标；

(6)计算相邻肋间点的坐标

根据相邻肋构成抛物柱面的特性，结合肋上点坐标计算相邻肋间点的坐标；根据伞状天线圆形口径的闭合特性，计算第N根肋与第1根肋构成的肋间点的坐标；

(7)生成伞状天线所有节点坐标

将计算得到的肋上点坐标、相邻肋间点的坐标与原点坐标合并在一起，并按照伞状天线最优焦距位置，将伞状天线沿z方向整体平移至最优焦距对应的位置，按照下式得到最优焦距下伞状天线所有节点坐标：

x′_p＝x_p

y′_p＝y_p

z′_p＝z_p-f_s

其中，x_p、y_p、z_p分别表示平移之前伞状天线第p个节点x向、y向、z向坐标，下标p表示节点在所有节点中的编号，x′_p、y′_p、z′_p分别表示平移之后，位于最优焦距下的伞状天线第p个节点x向、y向、z向坐标，f_s为伞状天线最优焦距，下标s表示区别于理想天线的伞状天线；

(8)建立最优焦距下伞状天线结构有限元模型

根据用户提供的天线几何参数、材料参数以及最优焦距下伞状天线所有节点坐标，建立最优焦距下伞状天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，背架肋结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；

(9)生成最优焦距下总体电性能一阶、二阶系数矩阵；

(10)求解最优焦距下的结构有限元模型

针对已建立的伞状天线结构有限元模型，添加结构位移、自由度约束或者边界条件；根据伞状天线的载荷参数，在结构有限元模型上施加工作载荷；在此基础上，利用有限元软件对结构有限元模型进行求解，获得节点位移、单元应力；

(11)近似计算最优焦距下伞状天线远区电场变化量

结合结构有限元模型生成的节点位移、最优焦距下总体电性能一阶、二阶系数矩阵，通过下式近似计算最优焦距下伞状天线远区电场变化量：

其中，表示最优焦距下伞状天线远区电场变化量，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对数的指数运算，R表示远场观察点位置矢量幅度，π表示圆周率，表示单位并矢，表示单位矢量的并矢，G表示总体电性能一阶系数矩阵，H表示总体电性能二阶系数矩阵，Δz表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移列向量，Δz²表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移乘积列向量；

(12)计算最优焦距下伞状天线远区电场；

(13)判断电性能是否满足要求

判断最优焦距下伞状天线远区电场是否满足天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求，如果满足要求则转至步骤(14)，否则转至步骤(15)；

(14)输出天线结构设计方案

当最优焦距下伞状天线远区电场满足天线电性能要求时，输出天线结构设计方案；

(15)更新天线参数

当最优焦距下伞状天线远区电场不满足天线电性能要求时，更新天线参数，转至步骤(1)。