本發(fā)明涉及空間可展開天線，尤其涉及一種折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航天科技事業(yè)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星在空間通信、深空探測、天文觀測、電子偵察等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，同時對星載天線的性能提出了高頻段、高增益、多功能和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)刃枨?。然而，?dāng)星載天線工作頻率確定時，只能通過增大天線口徑來實現(xiàn)高增益。通常情況下，天線的口徑大小從幾米到一百多米不等。然而衛(wèi)星平臺的空間尺寸受火箭發(fā)射艙約束是有嚴(yán)格限制的，天線在發(fā)射前需折疊收攏并在進入軌道后完成展開過程，即為星載可展開天線。

2、星載可展開天線實現(xiàn)方式主要分為反射面天線和相控陣天線兩類。反射面天線體積大、質(zhì)量重，電設(shè)計自由度有限，難以匹配多種用途。相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，導(dǎo)致輻射效率較低，成本高且重量較大，收攏展開受限。反射陣天線結(jié)合了反射面和相控陣天線的若干優(yōu)點，相較于反射面而言，反射陣天線的剖面低、體積小、重量輕，平面結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)折展；相較于相控陣而言，反射陣天線無需饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電損耗小，成本低廉。若在結(jié)構(gòu)上采用薄膜材料代替剛性介質(zhì)基板，可以實現(xiàn)大口徑下更高收納比折展方式的設(shè)計。

3、然而，采用薄膜材料設(shè)計高收納比可展開反射陣天線會引入折痕問題。在薄膜折展過程中，薄膜材料會留有大量不可恢復(fù)的塑性變形，即折痕，折痕變形會隨著折展次數(shù)增多不斷發(fā)生變化。此外，根據(jù)不同的收納需求平面折展方式多樣，其共同之處都是將薄膜材料進行塑性彎曲變形，為了實現(xiàn)薄膜材料在兩個方向的收納，通常會產(chǎn)生平行折痕、相交折痕等，在相交折痕處薄膜展開后變形情況則更為嚴(yán)重。采用規(guī)則柵格進行反射陣天線布局設(shè)計時，會出現(xiàn)大量天線單元與折痕相交，折痕變形會影響天線單元的反射相位，進而造成天線增益下降、副瓣升高等，變形較大時還會影響天線的正常工作。

4、目前關(guān)于折痕變形對反射陣天線電性能影響的研究較少，大多研究從結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)角度出發(fā)，對薄膜在受載荷作用后的展開變形情況進行分析。主要通過以下三種方式對折痕展開變形進行分析：

5、(1)采用平面應(yīng)變梁和大變形理論構(gòu)建模型并進行求解，以研究在不同轉(zhuǎn)動剛度下的展開變形情況。該模型可以模擬薄膜展開過程中的彎曲變形和折痕角的變化，且能準(zhǔn)確觀察到薄膜展開過程中載荷與展開構(gòu)型表面精度的關(guān)系。模型中折痕的轉(zhuǎn)動剛度以常數(shù)彈簧鉸剛度的形式表示，該剛度可以通過實驗測定得出。

6、(2)通過光學(xué)測量技術(shù)進行展開構(gòu)型實驗測試?；诠鈱W(xué)理論的測量方法測試速度快且測試精度高，可以采集大量的、密集的數(shù)據(jù)，更精確地反映薄膜的展開構(gòu)型表面變形情況，其中激光跟蹤測試是目前比較常用的實驗測量方法。

7、(3)利用有限元仿真軟件進行數(shù)值分析。薄膜的拉伸過程涉及彈塑性變形、幾何非線性等問題，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。通過對折痕進行約束和對折痕附近區(qū)域進行精細(xì)化網(wǎng)格分析，可以準(zhǔn)確地分析不同載荷作用下薄膜的變形行為，分析過程中用鉸鏈連接器代替折痕。上述三種方式分析結(jié)果的一致性已得到驗證。

8、現(xiàn)有技術(shù)中折痕對天線單元特性的影響關(guān)系尚不明確。薄膜材料折展過程中留有的折痕對天線單元特性的影響關(guān)系較為復(fù)雜?，F(xiàn)有的研究僅考慮單折痕、平行折痕等展開后的變形情況，而展開后存在的塑性變形對天線單元特性產(chǎn)生的影響未知，難以設(shè)計出電性能較優(yōu)的可展開反射陣天線。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過提供一種折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計方法及裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中薄膜展開后留有的折痕變形對天線單元特性的影響問題，實現(xiàn)了通過分析折痕影響關(guān)系，為后續(xù)電性能較優(yōu)的反射陣天線設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計方法，該方法包括：

3、獲取帶折痕的薄膜天線的初始天線陣列，并確定所述初始天線陣列的天線單元；

4、采用有限元方法對所述帶折痕的薄膜天線進行展開特性分析，得到分析結(jié)果；

5、利用所述分析結(jié)果，確定不同載荷下薄膜展開特性的建模結(jié)果；

6、利用所述天線單元與所述建模結(jié)果建立帶折痕的天線單元電磁分析模型，采用無限周期單元模型法對所述天線單元電磁分析模型進行折痕分析，得到與所述天線單元對應(yīng)的相位誤差量；

7、利用所述相位誤差量對所述初始天線陣列的相位進行誤差修正，得到修正后的天線陣列。

8、結(jié)合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述采用有限元方法對所述帶折痕的薄膜天線進行展開特性分析，得到分析結(jié)果，包括：

9、建立折疊狀態(tài)下的薄膜天線的有限元模型，折痕處通過鉸鏈與周圍非折痕區(qū)域相連；

10、確定所述鉸鏈的約束，采用有限元方法對所述薄膜天線進行網(wǎng)格劃分并施加位移載荷進行展性特征分析，得到分析結(jié)果；其中，所述約束為實際轉(zhuǎn)動剛度。

11、結(jié)合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述利用所述分析結(jié)果，確定不同載荷下薄膜展開特性的建模結(jié)果，包括：

12、根據(jù)分析結(jié)果，得到不同荷載下的薄膜展開構(gòu)型；

13、獲取所述薄膜展開構(gòu)型的采樣點，利用最小二乘法對所述采樣點進行擬合，得到不同荷載下薄膜展開特性的曲方程；

14、利用所述曲線方程，確定不同載荷下薄膜展開特性的建模結(jié)果。

15、結(jié)合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述利用所述天線單元與所述建模結(jié)果建立帶折痕的天線單元電磁分析模型，包括：

16、對折痕進行分類，并確定所述天線單元與折痕的相對位置，得到折痕參數(shù)；其中，所述折痕參數(shù)是關(guān)于折痕高度、折痕位置和折痕與所述天線單元之間的夾角的參數(shù)；

17、利用所述折痕參數(shù)與所述帶折痕的天線單元電磁分析模型，得到折痕變形曲面；

18、結(jié)合所述天線單元和所述折痕變形曲面，得到帶折痕的天線單元電磁分析模型。

19、結(jié)合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述薄膜天線，包括：輻射貼片、薄膜層、空氣層和金屬地板。

20、結(jié)合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述天線單元包括：等邊三角形天線單元。

21、第二方面，本發(fā)明提供了一種折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計裝置，該裝置包括：

22、初始化模塊，用于獲取帶折痕的薄膜天線的初始天線陣列，并確定所述初始天線陣列的天線單元；

23、分析模塊，用于采用有限元方法對所述帶折痕的薄膜天線進行展開特性分析，得到分析結(jié)果；

24、建模模塊，用于利用所述分析結(jié)果，確定不同載荷下薄膜展開特性的建模結(jié)果；

25、誤差計算模塊，用于利用所述天線單元與所述建模結(jié)果建立帶折痕的天線單元電磁分析模型，采用無限周期單元模型法對所述天線單元電磁分析模型進行折痕分析，得到與所述天線單元對應(yīng)的相位誤差量；

26、修正模塊，用于利用所述相位誤差量對所述初始天線陣列的相位進行誤差修正，得到修正后的天線陣列。

27、第三方面，本發(fā)明提供了一種折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計服務(wù)器，該服務(wù)器包括存儲器和處理器；

28、所述存儲器用于儲存計算機可執(zhí)行指令；

29、所述處理器用于執(zhí)行所述計算機可執(zhí)行指令，以實現(xiàn)折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計方法。

30、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)有可執(zhí)行指令，計算機執(zhí)行所述可執(zhí)行指令時能夠?qū)崿F(xiàn)折痕對薄膜反射陣天線單元的影響分析及布局設(shè)計方法。

31、本發(fā)明中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

32、(1)本發(fā)明通過采用了以薄膜反射陣天線為對象進行研究，結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)高收納比折展；

33、(2)本發(fā)明考慮到天線單元折展過程存在的折痕會影響其反射特性的問題，從薄膜展開過程出發(fā)，建立了折痕影響的分析模型，分析了折痕對薄膜反射陣天線的影響關(guān)系，為后續(xù)存在折痕時的陣列設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)；

34、(3)本發(fā)明在陣列設(shè)計中考慮了折展過程中折痕對天線電性能的影響，以確保天線在展開后電性能損失較小。