内容简介

本书主要包括三方面的内容，即天线结构力学分析、天线结构优化设计及天线反射面表面精度的现代测量技术。

天线结构力学分析涉及到天线结构的静动力分析、地震响应与随机风荷响应分析、可靠性分析。除此之外，还专门讨论了悬索式天线结构与桅杆天线结构的有限元力学分析。

天线结构优化设计主要包括天线结构优化设计的数学规划法、准则法及综合法，讨论了天线结构的动力优化、拓扑优化、机电综合优化及可靠性优化等问题。此外，还较深入地论述了刚架类与连续体类天线结构的优化设计问题。

天线反射面表面精度的现代测量技术主要介绍了无线电全息法与现代激光测距两种现代测量方法。

本书可供高等学校电子机械有关专业高年级本科生、研究生及天线结构设计工程技术人员参考。

作者简介

段宝岩， 中国工程院院士，1955年生于河北冀州市。1977年考入西北电讯工程学院 （原西军电、现西安电子科技大学），先后获工学学士、硕士及博士学位。19911994年在英国利物浦大学作博士后研究，2000年在美国康乃尔大学作客座教授。20022012年期间担任西安电子科技大学校长，现为西安电子科技大学教授，博士生导师，国家973首席科学家，全国天线产业联盟主席，国际工程技术学会会士(IET Fellow)，教育部科技委国防与先进制造学部委员，机械学科教学指导委员会副主任，军委装备发展部科技委(兼)委员暨卫星有效载荷专业组成员，工信部电子科技委委员，《电子机械工程》与《电子学报》等10个国内外学术期刊编委。

曾被授予全国五一劳动奖章（2003）、全国劳动模范（2005）、全国师德先进个人（2004）、全国留学回国人员成就奖（2003）、全国优秀科技工作者（2011）等称号。入选2009年度科学中国人，2012年获香港何梁何利科学与技术成果奖。

他长期从事电子机械工程的教学与科研工作，致力于电子装备机电耦合理论、方法及应用的研究，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域，系统地建立了电子装备电磁场、结构位移场、温度场之间的场耦合理论模型，揭示了机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法。该成果已成功应用于探月工程、神舟飞船工程、主力战舰及500米口径大射电望远镜等国家重大工程与装备中。获国家科技进步二等奖3项，省部级科技进步一等奖4项。发表SCI、EI检索论文180余篇，国际会议特邀报告8次，著书5部，授权发明专利30余项。

前言/序言

序

天线在通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感遥测和射电天文等领域有广泛的应用，凡是利用电磁波来传递信息的都离不开天线。另外，用电磁波传送能量时，也需要天线。��

天线的形状多种多样，常用的是各种线天线与面天线以及它们的组合和阵列。一副天线的尺寸可以长到几千米，高达几百米，也可以短到几毫米。��

天线结构指的是天线本身和支持天线的结构物。天线结构型式繁多，大小不一。天线结构作为一种结构，与一般结构具有共同的问题，但也有其特殊性——天线结构是为实现天线电性能服务的，它的设计必须满足电性能的要求。��

根据天线效率的要求，反射面天线的表面误差一般不得超过波长的 1/30~1/60。对于工作在毫米波段的大型反射面天线来说，这是一个很严格的要求。雷达天线与射电望远镜天线要求天线能绕方位轴与俯仰轴转动，工作在毫米波段的大型可动反射面天线，仅仅是本身重量引起的变形就有可能超出上述要求。为了克服自重变形的难关，S.Von Hoerner于1967 年提出了保型设计的概念，即设计一种抛物面天线结构，使变形后的反射面仍为一抛物面。保型设计必须采用优化方法来确定结构各杆件的截面尺寸，以达到“保型”。对于特大型反射面天线，为了避免天线运动带来的机械结构方面的一系列问题，不得不采用固定式。如美国的直径 1000 英尺(305 米)的Arecibo射电望远镜，其球形反射面结构就固定在山谷里。此外，架设在舰艇桅杆顶上的雷达天线，其重量有严格的限制，因为桅杆顶上每增加1 千克重量就需要在舱底增加好几倍的压重，以保持舰艇的稳定性。这些例子都说明天线结构设计的特殊性，特别是天线结构的优化设计十分重要。因此，本书重点论述天线结构的力学分析、优化设计与反射面精度检测。��

对于一般天线结构，进行有限元分析现在已不是什么困难的事。一方面，微机已具有优良的性能； 另一方面，市场上已有多种功能强大的微机有限元分析软件可供应用，如�〢lgor��、Cosmos、Ansys等。问题在于天线结构的建模——如何根据结构实物建立合适的有限元模型。为此，本书第 1 章对有限元建模作了必要的论述，提出了一些指导性准则与方法，对初学者可能会有所帮助。��

风荷是天线结构的一种主要载荷。从风的实测资料可以看出，在风的顺风向时程曲线中，风包含两种成分：平均风和脉动风。平均风亦称稳定风，它对结构的作用相当于静力的，只要知道平均风的数值，就可按静力方法进行结构计算。脉动风亦称阵风脉动，因它的周期短，它对结构的作用是动力的。在脉动风作用下，结构将产生随机振动。对于脉动风，应按随机振动理论来分析。为此，本书第 2 章介绍了天线结构的风激响应计算方法。��

大型天线由于造价高昂，在地震时是否会发生破坏，是一个值得关心的问题。为安全起见，应进行结构地震响应分析，本书第 2 章也讨论了这一问题。��

采用传统的安全系数法设计出来的结构，实际上不一定安全可靠，有一些很安全，而有一些却在规定的寿命期间内破坏了。这是因为，安全系数法把许多客观上存在的不确定因素作了极粗糙的简化，都视作定值量，没有考虑到数据的分散性。在设计中引入一个经验性安全系数，它的确带有一定的不确切性或盲目性。实际上，各种载荷都是随机过程。而影响结构抗力的诸因素，如构件尺寸、材料强度等也是随机变量。因此，应该用概率论和随机过程的数学方法来处理工程结构的载荷效应与结构抗力，以结构失效的概率来度量结构的安全度更为合适。目前，工程界已越来越普遍采用结构可靠性分析与设计方法，天线结构也应该如此，本书第 3 章对此作了简要论述。��

柔索与纤绳式桅杆在天线结构中经常被采用，因此天线结构设计人员对这类结构很感兴趣。这类结构具有特殊性，其结构性能属于非线性范畴。虽然已有专著详细论述过这类结构，但篇幅过大，涉及面较广，而实际上天线结构真正需要的仅是其中的核心部分。本书第 4、5章对这类结构的力学分析作了必要的阐述，简要而又充分。��

随着时代的发展，对工程结构的要求越来越高，结构设计需要考虑的因素也越来越多，用传统的设计方法往往难以应付。要把结构设计得尽量符合理想，就需要有现代化的结构优化理论与方法。前面已经提到，天线结构更需要结构优化理论与方法，因此结构优化在天线结构设计中具有重要的地位与�┳饔谩＊���

现代结构优化理论与方法，可以认为始于 1960 年Schmit等人将数学规划法应用于结构优化，他们为结构优化建立了一种普遍适用的方法。但是，现代结构优化理论与方法在初期进展并不顺利。70年代准则法获得广泛重视与应用。此后经过学者们的努力，把力学概念与优化技术很好地结合起来，使数学规划法的效率大大提高，成为当前结构优化方法的主流。��

准则法在早期有同步失效准则与满应力准则，这些都是感性准则法，缺乏坚实的理论基础。而理性准则法是以约束优化极值必要条件——Kuhn�睺ucker条件为基础，用准则的满足代替了使目标函数取极值，因此具有充分的理论基础。它的最大优点是收敛快，要求重分析次数与变量数目没有多大关系；其缺点是不同性质的约束要用不同的准则。��

数学规划法具有更坚实的理论基础和广泛的适应性。数学规划的方法五花八门，有很多种。按优化的数学模型中有无约束条件，可分为约束和无约束两大类，相应的优化方法有约束优化与无约束优化两类(工程问题大多数为约束优化问题)；按优化方法是否利用梯度信息，可分为直接法与梯度法；按设计变量的类型，可分为整数规划、随机规划、连续变量优化与离散变量优化。详细介绍优化方法不是本书的宗旨，因目前这类专著已有不少。本书仅对天线结构优化设计有关的方法作一介绍。综合法是本书作者提出的一种方法，实质上可归属于序列二次规划一类。��

结构优化分为四个层次：① 结构类型优化；② 拓扑优化；③ 形状优化；④ 尺寸优化。尺寸优化是结构优化的最低层次。结构类型优化目前还很少有人探讨，本书对其余三种优化均有论述，其中拓扑优化是作者在国内最早开始进行探讨的。��

天线结构是机电一体化产品，而机电一体化设计是很有意义但却比较困难的工作，大有发展余地，本书在这方面作了良好的开端。��

本书第 2 篇天线结构优化设计内容多为作者科研工作的总结，具有明显的特色和学术水平。��

反射面天线表面精度测量，对于大型高精度天线是一项关键技术。表面精度测量的方法很多，本书介绍的是两种先进的现代方法。��

综观全书，取材新颖，内容先进、充实、实用，是本学科领域中一本很有价值的专著，它的出版将为提高我国天线结构设计水平发挥有益的作用。��

西安电子科技大学

1998年5月29日

前 言

为配合西安电子科技大学出版社出版发行“雷达技术丛书”，应邀对第一版《天线结构分析、优化与测量》作了修改补充， 即《天线结构分析、优化与测量》第二版，以飨读者。为使本书跟上本领域最新科技发展的步伐，在新版书中增加了部分内容，如第14章增加了较多内容，这些内容多为作者的科研体会与成果。就微波天线而言， 较为详细而系统地阐述了反射面天线、平面裂缝阵天线以及有源相控阵天线的机电耦合理论模型、结构因素对电性能影响机理，以及基于耦合模型和影响机理的机电耦合优化设计等内容。同时，对第一版中存在的某些不合适、 不准确的内容作了修改，便于读者阅读。虽然作者尽可能使第二版内容既有理论高度，又接地气，便于应用，譬如增加模型、理论与方法的数理推导和实际工程应用的案例分析，但因作者水平所限，书中难免存在这样或那样不妥甚至错误的地方，恳请读者雅正。

编著者

2016年6月