[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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,…,L_m]^T$\begin{array}{cc}min& \mathrm{\Γ}=\frac{1}{Nc}\underset{i=1}{\overset{Nc}{\mathrm{\Σ}}}{\left|D_i-\underset{\‾}{D}\right|}^2\end{array}$s.t. D_i≥D,i＝1,2,…,Nc$\underset{\‾}{T}\≤T\≤\stackrel{\‾}{T}$$\underset{\‾}{L}\≤L\≤\stackrel{\‾}{L}$其中，L为星载网状天线索段长度列向量，上标T为转置运算符号，L_m为第m根索段长度，m为索段总数，Γ为赋形要求的目标函数，Nc表示赋形要求的远场观察方向个数，D_i为第i个观察点的方向系数，D为方向系数下限值，T为结构参数中索张力列向量，T、分别为索张力列向量下限、上限值，L、分别为索段长度列向量下限、上限值；(4)结构与电磁灵敏度计算针对此星载网状天线结构参数与电参数，计算星载网状天线电磁灵敏度与结构灵敏度，将第i个观察点方向系数表示为索段长度的函数$D_i=D_{i,0}+K_i^T\mathrm{\Δ}L$其中，D_i为第i个观察点的方向系数，D_i,0为理想状态下的方向系数，ΔL为索段长度列向量增量，K_i为经过结构与电磁灵敏度计算后得到的第i个观察点方向系数对索段长度的导数列向量，上标T为转置运算符号；导数列向量K_i由结构与电磁灵敏度相乘获得$K_i=K_t^T{G}_i$其中，K_t为节点位移对索段长度的结构灵敏度矩阵，上标T为转置运算符号，G_i为第i个观察点方向系数对节点位移的电磁灵敏度列向量；(5)简化并求解优化模型采用结构与电磁灵敏度信息将步骤(3)中的优化模型转化为线性形式，转化后的机电集成优化设计模型为：find ΔL＝[ΔL₁,ΔL₂,…,ΔL_m]^Tmin Γ＝2B^TAΔL+B^TB$\begin{array}{cc}s.t.& K\mathrm{\Δ}L\≥-\sqrt{Nc}B\end{array}$$K_v\mathrm{\Δ}L\≤\stackrel{\‾}{T}$‑K_vΔL≤‑T$\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{L}\≤\mathrm{\Δ}L\≤\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{L}$其中，ΔL为索段长度列向量增量，ΔL_m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,…,K_Nc]^T，K_v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。