模态坐标系下星载网状天线电性能动力响应分析及结构优化设计

Spaceborne cable mesh reflector antennas suffer from dynamic loads in orbit, which will cause dynamic variation on mesh surface and degrade the electromagnetic performance severely. Existing researches does not consider the dynamic variation of antenna electromagnetic performance, and neglect the strong nonlinear relationship between radiation pattern and structural dynamic characteristics, leading to an inaccurate prediction on dynamic pattern analysis. This project aims at solving the problem of pattern degradation of spaceborne cable mesh reflector antennas under dynamic loads, investigating the influence mechanism of structural dynamic characteristics on electromagnetic performance and the strong nonlinear influence relationship between them. A structural and electromagnetic coupling model is established between structural dynamic characteristics and the electromagnetic performance based on modal coordinates, especially the analytical model between vibration modes and the radiation pattern to accomplish the dynamic pattern analysis on modal coordinates. On this basis, some key vibration modes which directly relate to the electromagnetic performance are chosen, a modal truncation method is demonstrated to build an approximate dynamic model orienting to the electromagnetic performance, and a structural dynamic optimization method is proposed to satisfy its demands on electromagnetic performance under dynamic loads. This study can provide a theoretical guideline for dynamic optimization design of spaceborne cable mesh reflector antennas, and some research insights for other structural-electromagnetic devices.

星载网状天线在空间动态载荷作用下会发生振动现象，导致天线形面随时间动态变化，严重影响天线电性能。现有研究未考虑天线电性能变化的动态特性，并忽略了天线电性能与结构动力特性的强非线性关系，导致对电性能变化的预测不准。本项目针对星载网状天线受空间动态载荷影响导致其电性能恶化的问题，研究天线结构动力特性对天线电性能的影响机理，探讨电性能与动力特性之间的强非线性影响关系，在模态坐标系下建立天线结构动力特性与电性能之间的机电耦合模型，尤其是结构振动模态与电性能之间的耦合模型，实现模态坐标系下天线电性能动力响应分析；在此基础上，选取影响天线电性能的关键结构振动模态，提出面向电性能的模态截断方法，并建立面向电性能的天线结构近似动力学模型，实现面向电性能的天线结构动力优化设计，满足动态载荷作用下天线电性能设计指标要求的目的。本项目可为星载网状天线的动力设计提供理论指导，也可为其它机电系统的研究提供思路借鉴。

星载大型可展开天线是通信卫星、中继卫星、侦察卫星以及太空攻防微波武器的重要装备之一，美国、俄罗斯、欧空局、日本等发达国家都先后将其成功应用于多种卫星之中，在轨的有8米、12.25米、14米、18米及22米口径等多种可展开天线。然而，我国可展开天线研制尚处于起步阶段，严重制约了侦察、中继及通信系统的发展。因此研制大型可展开天线具有重要的社会和国防价值。为此，突破大型可展开天线的关键技术就显得尤为迫切。.在国家自然基金委的支持下，本项目针对星载网状天线在轨过程中热载荷等动态载荷导致其电性能恶化的问题，开展了模态坐标系下星载网状天线电性能动力响应分析及结构优化设计研究工作。研究内容主要包括：一、模态坐标系下网状天线电性能动力响应的机电耦合模型；二、面向电性能的网状天线近似动力学模型；三、面向电性能的网状天线动力优化设计；四、典型样机的设计、制作与实验验证。.项目按照预期进度完成了规定的研究内容，突破了关键技术，发表高水平JCRQ1区论文8篇，获电子学会优博论文提名奖，陕西省科技进步一等奖。.项目研究的关键技术有效提升了我国星载大型可展开天线的研制水平，对高分辨率对地观测、探月、空间站等重大工程的实施贡献了力量，促进了航天领域的技术进步。