基于一种星载双臂螺旋天线的多域耦合仿真分析

摘要

基于星载天线在太空环境下的多物理场耦合分析技术与方法是目前国内外研究的热点与亟待解决的问题。针对近年来世界航天领域逐步朝着深空探测等方向的发展，对于星载天线在深空环境中的极端高低温变化的影响问题，更是目前急需解决的航天有效载荷系统设计中的仿真重点难题。在太空环境中，由于光照及发热等外在环境因素的影响，容易导致航天器某些部件由于温度环境的改变（骤冷骤热）而产生大的形变及应力改变，这势必会影响其电磁性能及结构性能，从而影响产品的可靠性。我们研究人员一般的解决办法是预判，但工况考虑是非常有限的，条件不可能绝对理想，因此只能部分反映实际工作的情况。另一方面，由于太空条件特殊，试验测试和模拟的条件十分苛刻或者根本没有配套条件，而且考虑到也无法在环境试验的同时进行同步测试。航空、航天等军工科研单位均以可靠性设计为第一目标开展研制工作，因此在设计的过程中更多的是沿用经过验证的且符合航天质量等级的产品、部件以及材料、元件等，在创新的程度上来说，研制模式与理念是较为传统的，更注重于可靠性、安全性、稳定性。因此，为了保障航天器系统性能的稳定性和整个系统的可靠性，通过全方位对产品的电、结构、热的整体耦合进行分析，具有至关重要的作用与意义。
　　本课题旨在通过典型星载天线为例，来研究星载天线多物理场耦合特性的仿真方法，并通过精细化、量化的数字化仿真实践来分析多物理场耦合仿真对产品设计的指导作用。星载多物理域的折衷设计是本课题的核心内容，既要考虑高电性能指标要求，又要考虑空间环境条件的高可靠适应性要求，作为星载天线设计的重中之重，本课题将通过星载天线应用中的结构较为简单的双臂螺旋天线，展开多域仿真分析工作，仿真分析双臂螺旋天线在太空极端温度条件下是否能够保持稳定的电性能。
　　本次论文课题的仿真工作思路，着重于太空外界极端温度场条件下，引起的天线形变对电性能的影响分析，我们首先根据该天线的结构及外形、基本指标信息建立电设计模型，分析在常温常压环境下天线的基本性能指标，例如方向图、增益、VSWR等指标；随后根据电性能仿真完成后的具体几何模型，进行结构转换，转换为温度场分析模型，利用太空环境不同极端温度条件下，得出温度场分布数据；将温度场分布及模型与结构分析环节建立数据传递和对应关系，计算出温度影响下的形变模型及几何数据；最后根据形变数据将模型进行电性能分析，得出形变后的该天线结构的辐射性能变化，如方向图、增益方面的变化，从而充分研究星载天线多域耦合的方法对于天线设计的指导作用，最终形成可作为设计优化与指导的有力参考。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 多域仿真应用情况

1.3 国内外研究现状

1.4 研究意义与方法介绍

1.5 论文结构安排

1.6 本章小结

第二章 星载天线的设计原则与难点

2.1 星载天线空间环境

2.2 星载环境天线设计难点

2.3 潜在问题与风险

2.4 目前解决手段

2.5 本章小结

第三章 星载天线的软件仿真方法

3.1 天线仿真的意义

3.2 主流仿真软件及技术

3.3 ANSYS仿真技术

3.4 多域耦合仿真思路与基础环境

3.5 本章小结

第四章 本课题研究的星载双臂螺旋天线及电性能仿真

4.1 本课题研究的双臂螺旋天线详细介绍

4.2 电性能仿真分析过程

4.3测试数据及电性能仿真数据对比

4.4 本章小结

第五章 星载双臂螺旋天线的多域耦合仿真

5.1多域耦合仿真流程

5.2分析过程

5.3耦合仿真结果数据

5.4多域耦合仿真小结（结论与分析）

第六章 结论

6.1 本课题相关结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果