大口径高精度星载天线的热变形优化设计与仿真计算

大口径高精度星载天线在轨运行时,受太阳辐照、进出地影或遮挡影响,会周期性经历各种极端温度环境,导致天线的型面恶化和指向偏差。基于此,进行了某大口径高精度星载天线的热变形优化设计与仿真计算,首先针对高精度天线的结构组成特点,开展热变形影响分析,找出部件变形对天线型面和指向的影响机理。随后,给出了天线型面误差和指向误差的计算方法,研究了天线在轨温度变化情况及温度与热变形的评价关系。通过天线热变形误差敏感性分析,找出了影响天线热变形的关键因素,并在此基础上开展了热变形优化设计。最终的电性能仿真结果显示,在三个特征频率下,天线实际相位中心与理论相位中心偏差很小,均在允许偏差范围内,验证了热变形优化的有效性。     

空间可展薄膜阵列天线构型设计与验证

面向空间天线大型化、轻量化需求,设计了杆膜一体卷曲展开薄膜阵列天线可展结构,实现了我国首个薄膜阵列天线在轨验证。首先,采用瑞利-里兹法建立了考虑张力作用的薄膜天线一阶弯、扭、摆振动频率近似解析模型,推导了薄膜天线框架结构的一阶扭转振动频率近似解,指导了薄膜天线结构动力学特性的快速分析与参数设计,相比于非线性有限元法,具有高效便捷的特点。其次,研究了薄膜天线主梁截面半径、框架长宽比、张力大小等特性参数对天线振动频率的影响,给出了结构参数的优选范围,通过仿真和试验方法验证了参数设计的合理性。最后,介绍了薄膜天线在轨展开验证情况,试验表明在卫星姿态机动扰动下天线结构保持稳定,验证了结构设计的可行性。     

大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势

文中较为系统地介绍了国内外大口径星载可展开天线研究的现状及其未来发展趋势,内容涉及网状、薄膜、微电子机械、固面、充气等不同类型天线.对应用广泛的大型索网天线,阐述了数字化建模、网状找形找态、多态动力优化、多柔体动力学分析与展开过程控制、展开可靠性分析、在轨热分析与控制、形面调整与测试、机-电-热场耦合建模与电性能分析等模型建立、分析与设计方法以及针对星载可展开天线分析与设计的知识型设计软件与综合设计支撑平台等.此外,对正在研制与在轨服役的星载天线也作了简单介绍.     

大口径空间相机像质的微振动频率响应计算

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感,本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法,以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型,建立微振动光机集成模型,从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先,建立大口径空间相机有限元模型,进行结构频率响应计算,得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后,通过蒙特卡洛分析方法,建立微振动光机集成模型,以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后,研制了大口径空间相机力学样机,对其进行了振动试验,验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近,误差均在5%以内,满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。     

网状反射面天线原理误差计算方法

网状天线依靠索网系统支撑金属丝网反射面实现电磁信号的反射和接收。金属丝网反射面被索网系统分割为一系列平面面片,与理想反射面之间存在型面拟合误差即原理误差,在工程设计阶段决定了天线的电性能。针对旋转抛物反射面,采用面积坐标,推导了轴向原理误差与面片几何参数间的数学关系,给出了轴向原理误差的快速计算公式,并用数值算例验证了公式的正确性。结果表明,轴向原理误差的最大值及均方根值可由抛物面焦距及面片在天线口径面投影几何唯一确定。给定面片在口径面的投影边长,利用文中公式可快速、准确计算出面片轴向原理误差的均方根值及最大值。研究结果为合理确定网状天线网格尺寸提供指导。     

卡氏副面最佳吻合和主、副面最佳匹配调整

一、概述近年来,由于射电天文和雷达、通讯技术的迅速发展,天线的工作波长越来越短(已经进入毫米波乃至亚毫米波段),对于大中型天线来说.精度要求越来越高,因而,天线结构设计制造方面的难度也越来越大。为此,在天线结构设计中已普遍采用了“最佳吻合设计”、“预调角最优性能安装”以及“保型设计”等方法来提高天线反射体的精度,以满足电气性能要求。随着天线口径的增大和工作波长的缩短,平时一般不为人们注意的卡氏双曲副面的设计制造和主副面的位置匹配对天线总精度及其增益的影响也就越来越突出,这就是本文所要探讨的问题。副面尺寸的选定,与主面口径、焦距及其焦径比等几何参数有关,通常约为主面口径的     

平板裂缝天线热加工误差数值仿真及其对天线电性能的影响

基于学科交叉,文中研究了热加工对平板裂缝天线电性能的影响问题。首先,应用热弹塑性理论和生死单元技术,模拟了降温曲线、焊料及工装方式3种不同因素对天线残余应力、变形的影响。然后,文中提出了结构位移场与电磁场的场耦合理论模型,研究了热加工误差对天线电性能(增益、副瓣电平等)的影响。最后,将理论与方法应用于某机载平板裂缝天线的实际工程中,取得了较为满意的结果。     

抛物面反射器表面误差分析及控制

抛物面反射器的表面精度是衡量天线制造水平的重要指标,也是影响天线增益的主要因素。在相同口径及相同表面精度条件下,工作频率愈高,表面误差对天线的增益影响愈明显。随着更高频率的开发及启用,对反射器表面制造精度的要求也不断提高。在实际设计中,我们可以由给定的增益折减系数来分配反射器表面误差值并提供制造、检验依据,采用     

基于滤波的柔性可展开天线展开过程控制方法

针对大口径可展开天线中柔性因素带来的展开过程振动问题,提出一种基于滤波的解耦控制方法。利用瑞利—里兹法构造的假设位移场对变形体进行离散,结合拉格朗日方法建立天线的展开过程多柔体动力学模型。根据动力学分析和展开轨迹的谱分析结果,应用低通滤波器将天线运动反馈分解为纯刚体运动和由柔性因素引起的振动两部分。基于机构的瞬时结构分析,将机构基频与结构基频的概念联系起来,并确定滤波的截止频率。针对两部分反馈信号的特点,分别设计刚性控制器和柔性控制器。刚性控制器保证天线按照预先设计的轨迹展开,柔性控制器用于抑制柔性振动产生的影响。讨论两组控制器增益参数的耦合关系,并基于信号能量相关性分析提出控制器增益参数选取的准则。仿真结果说明该方法的可行性和合理性。     

平面阵雷达振动变形特性分析

平面阵雷达的阵面变形误差影响天线的电性能,设计过程中需要对阵面变形特性进行分析.文中提出利用最小二乘法评定阵面平面度,采用坐标变换方法分析变形平面的刚性位移,通过变形阵面的平面度、转动角度和平动位移全面评估阵面的振动变形特性.分析某平面阵雷达在振动环境下的变形,获得变形阵面的变形误差和刚性变形,评估振动环境下阵面的变形特性,为结构的刚度设计和雷达的电性能评估提供理论支撑.     

考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析

下一代深空探测的地基面天线的面精度要求达到亚毫米级,必须考虑太阳照射导致的温度的影响。针对这一问题,以"嫦娥工程"的40 m通信面天线为研究对象,根据天线的地理位置和时间日期,计算天线受到的热流密度;考虑对流、传导和辐射三种传热方式计算天线的温度分布,并用某7.3 m卡式天线设计温度试验,结果表明温度分析是有效的;将温度作为载荷计算天线的结构变形;根据天线远区的电场公式计算电性能,并提取增益损失、副瓣电平和指向误差等主要电性能指标。仿真结果表明,温度对电性能的影响不但体现在结构变形的均方根值上,更与变形的分布形式密切相关。分析的方法和结论可用于指导下一代面天线结构设计,也可供同类型面天线设计时参考。     

机载振动对共形阵列天线电性能的影响

环境载荷严重影响共形阵列天线的电性能,对研究和发展高性能共形天线而言,环境载荷是一个不容忽视的问题。文中从变形面的拟合出发,提出了一种变形后天线电性能的计算方法,利用此方法计算随机振动下共形阵列天线的电性能,分析随机振动对共形阵列天线电性能的影响。文中所提方法与结论可为工程技术人员设计高性能共形天线提供参考。     

大型反射面天线变形补偿技术研究进展

随着大口径、高频段反射面天线的应用,由重力、热和风等因素引起的主反射面变形会导致天线性能明显下降.如果合理的天线设计还不能满足性能要求,需采用补偿方法来提升天线性能.文中综合介绍了常见的两种补偿方法:机械补偿方法和电子补偿方法.通过对各种方法的总结来展望未来大型高精度天线补偿技术的发展方向.     

有源相控阵天线服役性能调控技术进展与挑战

有源相控阵天线广泛应用于地面防空、机载火控、弹载制导、空间通信、电子侦察、气象导航等领域,是未来雷达技术发展的主流。天线在服役过程中不可避免地会受到复杂环境载荷作用,使阵面产生难以预知的结构变形与馈电误差,导致阵元位置偏移、指向偏转、阵元间互耦改变等,最终严重恶化天线的电性能。为此,文中归纳了陆、海、空、天不同服役场景下的环境载荷因素,厘清了稳态载荷、瞬态载荷对天线性能的影响机理,总结了天线阵面形变与馈电系统误差监测方法,进一步从结构补偿、电子补偿两方面给出了天线性能调控关键技术,并探讨了有源相控阵天线服役性能调控未来的研究方向与挑战。     

动载荷对结构功能一体化天线力电性能的影响

结构功能一体化天线是将集成微带天线阵列的射频电路嵌入到武器平台结构中,它既可作为力学承载的蒙皮结构,又可作为收发电磁波的微波天线,在未来飞行器中具有巨大的应用前景。针对服役中的结构功能一体化天线力电性能演化问题,通过分析结构变形与天线电性能的影响关系,利用相位差建立动载荷作用下结构功能一体化天线的机电耦合模型,利用最小二乘支持向量回归对结构变形的数据拟合来获得结构变形下的电性能。通过研制的2.5 GHz结构功能一体化天线试验装置,验证了机电耦合模型的正确性。利用验证后的耦合模型,通过数值分析获得了动态载荷对结构功能一体化天线力电性能的影响规律,其结果表明,动态载荷下天线结构变形会影响天线的主波束方向、增益和副瓣。     

冲击波载荷对平面阵列天线电性能的影响

从机电学科交叉的角度,研究冲击波载荷作用下平面阵列天线结构塑性变形对天线电性能的影响.首先,根据爆炸冲击波的超压时程模型,采用弹塑性结构的瞬态有限元方法,获得冲击波载荷作用下平面阵列天线结构的塑性变形.然后,将结构塑性变形引入到平面阵列天线远场方向图表达式中,得到冲击波载荷作用下天线电性能的数学分析模型.最后,针对某X频段工作的平面阵列天线,分析了冲击波载荷对其增益损失、副瓣电平及波束指向的影响关系.数值分析结果可用来预测冲击波载荷作用后平面阵列天线可否正常工作.另外,文中的分析方法也可用于其他类型天线的冲击波载荷影响分析.     

面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构

智能蒙皮天线能够将集成微带天线和传感元件嵌入到各类武器平台结构中,不仅具有电磁收发和力学承载性能,同时还具有服役状态感知与性能自适应功能.为了解决蒙皮天线因结构变形导致的电性能恶化问题,文中提出了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构,并利用模态分析和状态空间理论,从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场.通过研制的智能蒙皮天线结构变形实验系统,验证了变形位移场重构方法的有效性.该位移场重构方法为智能蒙皮天线电补偿系统的研制奠定了基础.     

接地板变形对微带阵列电性能影响的仿真分析

针对微带阵列天线在制造与使用过程中接地板存在变形的情况,仿真分析了碗状与正弦周期2种结构变形对天线电性能的影响。首先将结构规则的微带贴片天线等效为2条辐射缝隙,研究了其接地板变形对其端口特性与辐射性能的影响。然后通过改变贴片长度和馈电点位置调整了天线的谐振频率和阻抗匹配。在此基础上,建立了矩形排布的4×4贴片阵列,分析了接地板碗状变形与正弦周期变形对阵列辐射性能的影响。仿真数据与图表反映了接地板变形对阵列天线电性能的影响规律。