星载抛物面天线赋形方法及热分析研究

论文摘要

星载反射面赋形天线在直播卫星系统及卫星间通讯中的应用越来越广泛。而随着传输信号频率的提高,对天线的制造误差和变形的要求越来越严格,因此需要对星载天线在轨热变形进行准确的分析。在查阅大量国内外文献的基础上,论文介绍了国内外赋形天线的研究进展及应用、在轨重构赋形天线的原型设计,以及国内外反射面天线在轨热变形和电性能分析的现状。赋形天线的辐射方向图能实现目标区域覆盖及增益分布要求,具有较好的能量效率。单馈反射面赋形天线是未来星载天线发展的一个重要形式,分析了基于物理光学、几何光学和几何绕射理论的理想反射面辐射场;介绍了基于几何光学的反射面天线赋形方法;针对赋形过程中辐射场的快速分析要求,比较分析了基于物理光学的Fourier-Bessel和Jacobi-Bessel级数展开方法以及GB展开分析方法;利用GB展开快速分析方法在20GHz频率下对0.6m口径的天线进行赋形分析,实现中国大陆的30dB增益覆盖,通过数值计算研究了固定增益期望下的口径尺寸随频率的变化,以及频率为20GHz的不同尺寸天线赋形后的覆盖目标区域最大增益的变化情况。在分析两种重构赋形天线特点的基础上,提出了重构赋形天线研究中应注意的问题。太阳辐射热流、地球红外辐射热流及地球反照热流是航天器产生不均匀时变温度场主要热量来源。在计算卫星轨道参数的基础上,讨论了地球卫星所受到的三种热流辐射的计算方法;针对3000km以上轨道高度运行的常用抛物反射面天线,给出了地球红外辐射热流系数的计算公式,并研究了其随焦径比的变化;根据太阳光线、地球和卫星之间的空间关系,推导了卫星轨道上任意点的地球可视区域从太阳完全照射状态进入部分照射状态或从部分照射状态进入完全黑暗区的卫星轨道角度判断条件,用数值积分方法研究了地球反照热流系数φ2与轨道高度h、卫星轨道位置θs以及太阳入射角iθ之间的关系;遮挡效应在空间热分析中不可忽略,根据太阳与卫星轨道面的夹角和及其在轨道上的位置,利用几何方法判断天线自身的遮挡效应,对太阳辐射热流在反射器表面的分布进行准确计算。为计算热流作用下的温度分布,对太空环境中的热流和辐射两种热传递形式进行分析,推导了灰色体单元互辐射的净热流密度的计算公式,星载反射面赋形天线在直播卫星系统及卫星间通讯中的应用越来越广泛。而随着传输信号频率的提高,对天线的制造误差和变形的要求越来越严格,因此需要对星载天线在轨热变形进行准确的分析。在查阅大量国内外文献的基础上,论文介绍了国内外赋形天线的研究进展及应用、在轨重构赋形天线的原型设计,以及国内外反射面天线在轨热变形和电性能分析的现状。赋形天线的辐射方向图能实现目标区域覆盖及增益分布要求,具有较好的能量效率。单馈反射面赋形天线是未来星载天线发展的一个重要形式,分析了基于物理光学、几何光学和几何绕射理论的理想反射面辐射场;介绍了基于几何光学的反射面天线赋形方法;针对赋形过程中辐射场的快速分析要求,比较分析了基于物理光学的Fourier-Bessel和Jacobi-Bessel级数展开方法以及GB展开分析方法;利用GB展开快速分析方法在20GHz频率下对0.6m口径的天线进行赋形分析,实现中国大陆的30dB增益覆盖,通过数值计算研究了固定增益期望下的口径尺寸随频率的变化,以及频率为20GHz的不同尺寸天线赋形后的覆盖目标区域最大增益的变化情况。在分析两种重构赋形天线特点的基础上,提出了重构赋形天线研究中应注意的问题。太阳辐射热流、地球红外辐射热流及地球反照热流是航天器产生不均匀时变温度场主要热量来源。在计算卫星轨道参数的基础上,讨论了地球卫星所受到的三种热流辐射的计算方法;针对3000km以上轨道高度运行的常用抛物反射面天线,给出了地球红外辐射热流系数的计算公式,并研究了其随焦径比的变化;根据太阳光线、地球和卫星之间的空间关系,推导了卫星轨道上任意点的地球可视区域从太阳完全照射状态进入部分照射状态或从部分照射状态进入完全黑暗区的卫星轨道角度判断条件,用数值积分方法研究了地球反照热流系数φ2与轨道高度h、卫星轨道位置θs以及太阳入射角iθ之间的关系;遮挡效应在空间热分析中不可忽略,根据太阳与卫星轨道面的夹角和及其在轨道上的位置,利用几何方法判断天线自身的遮挡效应,对太阳辐射热流在反射器表面的分布进行准确计算。为计算热流作用下的温度分布,对太空环境中的热流和辐射两种热传递形式进行分析,推导了灰色体单元互辐射的净热流密度的计算公式,

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外赋形天线的发展及现状
• 1.2.1 国外赋形天线研究
• 1.2.2 国内赋形天线研究
• 1.2.3 在轨重构赋形天线研究
• 1.3 反射面天线热效应研究
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 星载反射面天线赋形方法
• 2.1 引言
• 2.2 反射面天线赋形基本方程
• 2.2.1 基于物理光学的理想导体辐射场
• 2.2.2 基于物理光学的反射面辐射场
• 2.2.3 基于几何光学的辐射场
• 2.2.4 基于几何绕射理论的辐射场
• 2.3 基于GO和PO的赋形方法
• 2.3.1 口面场优化方法
• 2.3.2 基于级数展开方法
• 2.4 基于高斯波束（GB）的快速分析
• 2.4.1 馈源的GB展开
• 2.4.2 反射面的辐射场
• 2.5 单馈单反射面天线赋形及算例分析
• 2.5.1 单馈单反射面天线赋形步骤
• 2.5.2 中国大陆单馈单反射面赋形
• 2.5.3 影响参数分析
• 2.6 反射面天线重构赋形
• 2.6.1 可调柔性网面方法
• 2.6.2 压电驱动器方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 星载抛物面天线反射器在轨热流分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本参数
• 3.2.1 空间轨道参数
• 3.2.2 太阳辐射角度
• 3.2.3 轨道阴影区域
• 3.3 空间辐射热流
• 3.3.1 太阳辐射热流
• 3.3.2 地球红外辐射热流
• 3.3.3 地球反照热流
• 3.4 热流辐射自遮挡
• 3.5 某星载天线热流分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 星载抛物面天线反射器在轨热分析
• 4.1 引言
• 4.2 反射器及温度场
• 4.2.1 反射器几何描述
• 4.2.2 太空环境热传递
• 4.2.3 温度场及边界条件
• 4.3 单层有限元模型
• 4.3.1 温度函数
• 4.3.2 有限元列式
• 4.4 层合单元模型
• 4.4.1 温度函数
• 4.4.2 有限元列式
• 4.5 方程求解策略
• 4.5.1 视角系数及热流
• 4.5.2 非线性方程组求解
• 4.6 反射器瞬态热分析
• 4.6.1 瞬态有限元方程
• 4.6.2 瞬态温度场分析过程
• 4.7 算例及分析
• 4.7.1 问题描述
• 4.7.2 稳态温度场分析
• 4.7.3 瞬态温度场分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 星载抛物面天线热变形敏感性分析
• 5.1 引言
• 5.2 反射器热变形分析方法
• 5.2.1 热变形有限元一般方程
• 5.2.2 几何描述及位移函数
• 5.2.3 单元刚度矩阵
• 5.2.4 热应变的等效节点力
• 5.3 热变形敏感因素分析
• 5.3.1 电性能指标与变形的关系
• 5.3.2 单因素热敏感性分析
• 5.3.3 多因素热敏感性分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 个人简历