（机械制造及其自动化专业论文）基于emc对充气展开天线形面精度的研究.pdf

摘要 ilyllllll2lllolll16lllll7lll1llll8lllzlllly 2 0 6 7 18 z 充气展开天线具有质量轻、飞行成本低、收藏体积小、展开可靠性高、工作 寿命长等优点，是未来大口径甚至超大口径天线的理想选择，也是近年来天线研 究的热点方向。充气展开天线工作状态时的形面精度是影响其电性能、增益和使 用情况的最重要的结构指标，因此研究天线形面精度的优化，对天线结构设计和 结构与电性能的匹配设计，以及未来发展应用都具有非常重要的意义。 文中首先综述了充气展开天线的成形理论和发展现状、电磁数据可视化软件 o p e n g l 技术的应用，介绍了电磁场数据可视化的数学分析方法以及图形动态显 示技术；然后对电磁数据进行分析处理，并对建立的模型进行了网格划分；在此 基础上对充气展开天线抛物面反射的电磁波进行数据采集处理，采用面向对象的 编程语言v c + + ，结合o p e n g l 实现场强云图的二维显示。 文中基于抛物面天线反射理论，以及天线实际形变与理想形变的差异，确立 了反射面误差的分析方法；以e m c 和电磁场电磁波理论为基础对充气展开天线 的形面精度进行分析研究，获得不同形变形面电磁数据的可视化云图：对比相应 的建模模型，分析天线的形面变化，从而判断天线充气后是否达到要求的理想形 变，为充气展开天线的结构设计优化和充气压力控制提供参考依据，具有一定的 创新性。 关键词：充气天线e m c可视化形面精度 a b s t r a c t t h ei n f l a t a b l es p r e a da n t e n n ah a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sl i g h tw e i g h t ，l o wc o s t t of l y , s m a l lv o l u m ef o rc o l l e c t i n g ，h i g hr e l i a b i l i t yt os p r e a d ，l o n gw o r k i n gl i f e i ti st h e i d e a lc h o i c eo fl a r g ed i a m e t e ra n de v e nl a r g ec a l i b e ra n t e n n ai nt h ef u t u r e a n dt h i s m a k e si tb e c o m eah o tt o p i cr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h es h a p ep r e c i s i o nh a sap r i m a r y e f f e c ti na n t e n n a se l e c t r i c a lp r o p e r t y 、g a i na n ds e r v i c ec o n d i t i o nw h e nt h ei n f l a t a b l e a n t e n n ai sw o r k i n g s o ，t h er e s e a r c ho nt h es h a p ep r e c i s i o no p t i m i z a t i o no ft h e i n f l a t a b l ea n t e n n ah a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et ot h em a t c h i n gd e s i g nb e t w e e n s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c ea n dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e f i r s to fa l l ，is u m m e du pt h ef o r m i n gt h e o r ya n di n f l a t a b l ea n t e n n ad e v e l o p m e n t s i t u a t i o n , a n di n t r o d u c e dt h es o f t w a r eo p e n g lw h i c hm a k e se l e c t r o m a g n e t i cd a t a v i s u a l i z a t i o n t h e n ，ia n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i cd a t aa n dm a s ht h em o d e la n d a tt h e l a s tih a dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gw h i c hw a sr e f l e c t e db yt h ea n t e n n a s p a r a b o l o i da n dr e a l i z e d t h ec l o u df i e l d s2 dd i s p l a y 晰廿lv c + + a n do p e n g l e s t a b l i s ht h er e f l e c t i v es u r f a c ea n a l y s i sm e t h o d so fe r r o rw i t ht h ep a r a b o l i ca n t e n n a r e f l e c t i o nt h e o r ya n d p h y s i c a lt r u t h a n a l y z et h e s u r f a c ea c c u r a c yo fi n f l a t a b l ea n t e n n aw i t l le m ct h e o r ya n d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cw a v ek n o w l e d g e a n da n a l y z et h es u r f a c e a c c u r a c yb yc o n t r a s t e d t h ev i s u a l i z a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cd a t ag r a p h i c sa n dt h e m o d e l t h e n , w ec a l lk n o wt h a tw h e t h e rt h ea n t e n n as u r f a c e sd e f o r m a t i o nc a nm e e t 0 1 1 1 7n e e d t h i sc a np r o v i d es o m ef e e d b a c km e s s a g ef o r t h ei n f l a t a b l ea n t e n n a s s t r u c t u r a ld e s i g na n dh o wt oc o n t r o lt h ea i rp r e s s u r e a n dt h ep a p e rh a ss o m ec e r t a i n i n n o v a t i o n k e y w o r d ：i n f l a t a b l ea n t e n n ae m cl s u a l i z a t i o n s u r f a c ea c c u r a c y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着通信、军事、对地观测以及空间探索等空间结构的迅速发展， 人们更倾向于追求使天线具备质量更轻、折叠体积更小、成本更低、可靠性更高 等优点的新技术。而充气展开天线在这些方面的优越性得到了良好的体现，成为 目前天线研究方面的热点。尤其是为了满足我国近年来航空工业的飞速发展的需 要，以及实现空间天线的轻量化和大型化，充气展开天线将是一个比较可靠、理 想的选择。 充气天线结构通常是由充气式反射器、圆环和连杆支撑结构三部分组成，如 图1 1 。充气式反射器上下由两片对称的抛物面薄膜组成，呈凸透镜状，信号穿过 上面的透明薄膜遮罩( 天蓬) ，在下面的镀金属反射面上反射而收集在馈源处【 图1 1 充气展开天线【2 】 充气展开天线是目前天线技术发展的前沿，其设计、制作和试验是一项非常 具有创新和挑战性的工作，涉及到许多新领域、新概念、新材料和新工艺。其需 要解决的关键技术有：( 1 ) 结构和材料技术；( 2 ) 天线的展开控制；( 3 ) 薄膜的 精度控制；( 4 ) 充气天线表面成形设计和制造技术；( 5 ) 太空环境下天线的动静 态结构特性；( 6 ) 减小天线收纳体积；( 7 ) 充气天线刚性化技术；( 8 ) 薄膜材料 的抗辐照、抗老化技术；( 9 ) 适应于薄膜结构的热控技术 3 1 。 2 基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 这其中天线的形面精度控制和柔固耦合等问题成为技术的难点，而精度起着 联合电性能和结构的关键作用，一个天线的精度高低直接影响到它的增益。所以 本文对其形面精度的重点研究具有重要的工程应用价值，而又因为这涉及到结构 和电性能的匹配问题，需要结构分析设计和电学的相关知识，以及精度研究的反 馈，这些都丰富并发展了柔性薄膜结构的基础研究内容。 本文通过v c + + 面向对象技术以及电磁数据的可视化处理，来直观的分析形变 效果，为充气展开天线的形面精度分析提供了一种新的解决方法和思路，也为形 面精度控制和制作方法提供理论依据和实验基础。 1 2 充气展开天线国内外发展现状 二十世纪九十年代以来，充气天线在国外有了比较广泛的研究、发展和应用， 美国宇航局( n a s a ) 、喷气推进实验室( j p l ) 、兰利研究中心( l r c ) 、i l cd o v e r 公司、l g a r d e 公司和欧洲航天局( e s a ) ，将充气展开技术应用于大型展开天线 和反射面、展开支撑结构、再入回收和缓冲系统、空间居住舱和火星登陆车等航 天结构中1 4 , 5 1 。而美国在充气天线方面的投资最大，许多研究成果也趋于成熟；欧 空局和n a s a 合作研制出了可实现空间自固化的充气天线；俄罗斯也已经研制出 了多个充气天线样机。 避 第一章绪论 3 ( 1 ) l g a r d e 公司的精密充气天线 l g a r d e 公司是在充气天线研制领域最早开展研究、研究成果最多的单位，到 目前为止，已经制成了口径3 m 、7 m 、9 m 、1 4 m 等系列的充气天线。其中1 4 m 充 气天线在1 9 9 6 年曾做过在轨试验【6 1 ，如图1 2 。 该公司研制的充气反射器典型结构见图1 3 ，它由一个封闭的双凸面体构成， 背部是一个金属化抛物面，前部是一个球形罩，两者在边缘处连接，从而形成孔 径。球形罩可透过工作辐射频率的微波。发射器和球形罩由若干分割的非常精确 的三角形分片构成，这些三角形分片是采用聚酰亚胺薄膜制成的。充气气囊具有 自固化性能，因而充气完成后，即使空气泄漏，仍能保持型面。 图1 3l g a r d e 公司口径7 m 的反射器 ( 2 ) 混合充气天线 j h u a p l 研制的混合充气式天线，中间采用可折叠记忆材料，加充气直管和 多边形环管支撑，馈源安装在可折叠记忆材料上，充气展开达到工作状态。图1 4 为天线水平和竖直图，图1 5 为中间可折叠记忆材料的展开和折叠状况。 4 基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 图1 5 中间可折叠记忆材料 此外还有诸如a r i s e 航天计划中的充气天线、欧空局自固化充气天线、充气 式相控阵天线等在研制和研制成功的充气展开天线。 ( 3 ) 充气展开再入回收和缓冲系统 图1 6 充气展开再入和缓冲技术( i r d t ) i r d t ( 图1 6 ) 是由e s a 、a s t r i u m i 和n p ol a v o c h k i n 联合设计制作的。1 r d t 的构成是由一个小的易烧蚀的刚性鼻形护罩和一个圆锥形的充气气囊组成。充气 气囊分两个步骤展开，第一步将整个结构从o 8 m 膨胀到2 3 m ，第二步则将整个结 构完全膨胀到3 8 m 【_ 7 】。 2 0 0 0 年进行的充气展开再入和缓冲技术( i n f l a t a b l er e e n t r ya n dd e s c e n t t e c h n o l o g y ，i r d t ) 发射试验，虽然在返回时结构有部分受到了损坏，但是其中 的飞行数据和其他硬件都能成功恢复，取得了宝贵的试验数据和经验。 ( 4 ) 国内对充气展开结构的研究起步很晚，只是在近几年才开始对充气展开 技术的基础问题进行了很少量的研究，其中北京航空航天大学在材料和结构方面 的研究较为突出，而哈尔滨工业大学和浙江大学在形面测量方面做了主要研究： 北京航空航天大学的李建国对可伸缩式转移居住舱结构方案进行了探讨，对 其所采用的结构形式、采用的材料、充气装置等进行研究，并提出了一个方案； 孙凯等人对紫外光固化复合材料制备充气展开器件进行了研究；陈来文对l e o 环 境聚合物表面材料的原子氧剥蚀理论进行了研究；王忠涛对原子氧、紫外辐射、 第一章绪论5 试样温度复合效应对材料影响进行了实验研究。都取得了可喜的成果。 哈尔滨工业大学的付丽制作了1 s m 口径的充气天线样机及硬质边框，对充气 天线形面精度进行了分析，利用p h o t o m o d e l e r 8 。1 0 1 照相测量系统测得天线精度为 r m sl m m ，见图1 6 【i l 】。 图1 7 天线样机与糟度测量 浙江大学的关福玲、徐彦对充气展开结构进行了许多研究，图1 8 为制作的充 气天线模型充气状态，对充气展开天线系统的结构设计进行研究，并相应地建立 了充气结构的有限元分析模型，对充气反射面进行精度分析，研究各参数对形面 精度的影响，并制作了2 m 口径的天线样机，经调整得到指平状态下精度为 1 8 3 r a m l l 2 - 1 3 。 圈1 82 m 口径充气天线样机模型 而我校目前对可展开天线主要研究的方向在天线结构的机电综合优化、面向 反射面保型设计的系统优化及精密控制等方面，对充气结构的研究还不多。 6基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 1 3 充气展开天线的技术优点 充气展开结构与传统的机械展开结构相比，具有很多的优点1 8 1 。 ( 1 ) 质量轻 充气展开结构的质量比相应的机械展开结构轻5 0 。充气展开结构采用非常 薄的材料( 通常o 2 5 到1 0 r a i l 厚度) 制作，并通过充气气压来获得其强度。 ( 2 ) 折叠后体积小 充气展开结构折叠包装后的体积是相应的机械展开结构折叠后的体积的2 5 不到。充气展开结构不仅折叠后体积很小，而且可以根据发射工具的有效发射体 积的要求折叠成各种形状。 ( 3 ) 制作成本低 充气展开结构制作成本很低，制作充气展开结构通常只需要并不昂贵的制作 工具和在半洁净的环境中相对平坦的工作台，而且材料也不是很特殊：如k a p t o n ( 聚 酰亚胺薄膜) 、m y l a r ( 聚酯薄膜) 、k e v l a r ( 芳纶) 等在民用的领域内大量应用到。 对于大型天线，采用充气展开结构的制作成本是采用相应的机械展开结构的十分 之一不到。 ( 4 ) 很高的展开可靠性 充气展开结构具有很高的展开可靠性。在过去3 0 年的太空充气展开结构应用 和实验中，充气展开结构展开可靠性得到了很好的证明。充气展开结构的展开具 有很大的可重复性，能在地面预演成功后折叠起来发射上天，到预定轨道再次展 开。如果合理设计，充气展开结构展开失败的唯一原因就是气体的泄露。 ( 5 ) 坚固性 充气展开结构具有天生的坚固性。这是因为充气展开结构可以通过很大表面 来吸收其承受的荷载，使得其受力比较均匀，结构不容易破坏。而机械展开结构 只在很少的节点上承受荷载作用，所以其必须制作得十分粗大，从而使结构变得 很沉重。 ( 6 ) 容易设计成各种形状 充气展开结构容易适应对称形状和弯曲表面。充气展开结构可以制作成一系 列曲面，不用或很少用特殊的连接和约束。在零重力环境下，在展开气压的作用 下的平衡形状就是设计所要获得的形状。 ( 7 ) 有利的动力学特性 充气展开结构具有非常有利的动力学特性。充气展开结构的表面变形总是与 一个几乎恒定的回复力一展开气压的作用相抗衡。因此其最终运动并不是简单的 简谐振动，它的频率和变形的幅度密切相关。 第一章绪论7 ( 8 ) 有利的热力学响应 充气展开结构具有非常有利的热力学响应，由于充气展开结构具有很大的相 对连续表面，使得热交换可以很方便的进行，从而有效的减少了结构的温度梯度。 经过合理选择具有特殊的光学特性的内部和外部材料，使其太阳照射的向阳面与 背阴面之间的温度差小于1 0 k 是有可能的。而且现在已经研制成功了具有超低热 扩散系数的聚合材料。 ( 9 ) 制作工艺相对比较简单 充气展开结构的制作工艺不是很复杂。一旦技术发展起来，其应用就很方便 和便宜。这是因为组成充气展开结构的要素的简单特性平坦的多边形薄膜材料， 缝合，粘合剂，包装和充气系统。然而，充气展开结构的分析并不简单，现有的 计算程序如n a s t r a n 因为其对大位移的考虑不是很好，所以其分析计算有很大 的困难。如果找到了合适的开发工具，充气展开结构新系统的开发将更为节省。 基于上述原因，充气展开结构在许多方面都是太空展开结构的理想选择。 ：二i ，一 1 4 充气展开天线关键技术及主要形面测量方法 擀“。、 充气天线技术涉及的技术领域较多，包括结构、机构、材料、化学、表面工 程、工程测量、空间环境等诸多领域，其中涉及的关键技术主要有【1 5 j ： ( 1 ) 充气薄膜材料技术 充气薄膜研究是充气天线研制的关键环节。由于充气结构要在空间使用，所。 以首先它应该能满足空间环境条件的要求：第二，在收拢时材料的状态应该是可 折叠的，以便满足包装要求，一般要求为薄膜型材料；第三，应具备可硬化要求， 天线展开后应能够硬化，进而提高结构的刚度。 ( 2 ) 充气薄膜材料硬化技术 目前，材料硬化技术的研究主要集中在硬化材料的选择与分析。由于空间任 务具有复杂性与多样性，所以对硬化薄膜的展开方法的要求也不相同，每种方法 都有适合自己的领域，即没有一种可硬化材料能满足所有的应用要求。具体来说， 常用的硬化材料主要有：热固性复合材料、紫外光固化复合材料、充气反应复合 材料、二阶转变和记忆聚合物复合材料、增塑剂或溶剂挥发固化复合材料、发泡 硬化材料、铝箔塑料薄膜叠层结构等。 ( 3 ) 充气天线的充气和展开技术 充气天线的充气方式根据充气材料可以分为两种：使用氮气和升华气体。 出于硬件价格和低研制成本的考虑，氮气充气系统应用得最多。用于充气天 线空间实验的1 4 m 天线采用的就是氮气充气系统。i a e 充气子系统的关键环节包 括：高压氮气储存包；传感器、阀门和调整器：充气系统的最佳化运 8 基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 行方式。 升华充气材料系统从第一次e c h o 气球轨道实验开始使用。升华粉末的操作 原理是：天线展开时，先释放粉末到充气天线中。在太空环境下，粉末升华，并 且提供1 0 一1 0 石个大气压的压力，由于这个压力依赖于充气时气体的温度，所以有 专门的温度控制环节。升华系统的优点是在室温下无腐蚀和呈固态，易于操作。 充气天线的收藏和展开方式有喷出式、卷轴折叠式等多种形式。 ( 4 ) 充气天线制造技术 由于充气结构使用柔性薄膜，例如，i a e 中1 4 m 的天线用了0 0 0 6 m m 厚的聚 酯薄膜制作反射器结构，用0 2 8 r a m 厚的橡胶浸渍的k e v l a r 织物制作结构的圆环 和支撑杆件，所以充气结构需要独特的制造方法和技术。是否能精确地从薄膜上 切下材料并且将多块薄膜无缝连接，对于获得最终的精确的反射器或支撑结构是 一个非常重要的因素。在制造较小的反射器和支撑结构时，一般经常用高精度模 板切割薄膜f 1 6 】。这种方法可以保证加工出高精度的零件，但是当零件的尺寸变大 时，这种模板将变得非常昂贵。一个比较好的方法是利用自动切割系统( 如高精 度激光切割机) ，可加工出精度很高的薄膜零件，并且加工成本也较低。对于缝合， 国外一般采用专用的高频缝纫机。 ( 5 ) 充气天线结构设计与分析技术 充气式设计和分析技术包括：结构方案的选择、反射面膜片设计、充气膜几 何非线性分析等技术。 国外充气天线结构方案的主流结构形式，它由3 部分组成：充气膜反射结构、 环形充气箍、支撑臂。这种结构方案已经被绝大多数的充气天线所采用( 包括 i ns t e p 计划中口径1 4 m 的在轨试验天线) 。 充气膜反射结构由反射面和天篷组成，通过连接带与环形充气箍连接。环形 充气箍是充气膜反射结构的刚性支撑，为一环形回转体：如果没有环形充气箍， 充气膜反射结构在内压作用下趋于球体。两者之间通过预应力绳索连接。由于环 形充气箍为充气膜反射结构提供半刚性边界，所以设计要保证充气箍膜片较厚且 需保持很高的气压。支撑臂是反射器和星体的接口，其刚性要求较大，根据需要 设计根数。在结构设计前，要对充气结构的刚度、应力分布、应力大小、重力引 起的变形等通过计算做出预测。另外，充气天线必须解决任何充气结构都必须面 对的一个“逆向问题”，即“必须是什么样的充气式薄膜结构的初始形状，才能在经 历大的结构变形之后达到所需平滑的抛物面表面”，这需要准确的分析和仿真。由 于充气结构的展开和变形是几何大变形过程，因此，必须用几何非线性的方法进 行分析。 ( 6 ) 充气天线形面精度的摄影测量方法 无论是地面测试还是在轨测试，对于充气天线的反射器形面精度分析，摄影 第一章绪论9 测量都是最好的选择【1 7 1 。这主要是因为以下3 个原因： 首先，薄膜的厚度很小，重量也很轻，任何接触式的测量都会使其形面发生 不同程度的变化。所以对于其形面精度的测量最好是非接触式的，而摄影测量方 法可以做到这一点。 其次，摄影测量过程操作简单。传统上使用电子经纬仪测量的方法，在每次 测量前都要先建立系统，摄影测量前期对专业相机的标定只是在初次使用前做一 次，以后的测量不用再标定；使用电子经纬仪测量时，系统一旦建立，电子经纬 仪不能有任何位置移动，摄影测量对此没有限制。为了避免风载等空气运动对轻 质薄膜反射面的影响，充气式反射器型面精度的测量大都在真空罐中进行，这种 情况只能使用摄影测量方法。 最后，摄影测量特别适用于测量数据量大的情况。当测量的反射器口径较大 时，如果采用传统的型面精度测量方法，由于每个靶标都需逐个瞄准，因此工作 量非常大。而且，由于大口径大型的反射面都需要不断的调整和修正，不断的反 复将非常耗时耗力。摄影测量的原理决定了其测量工作量与被测反射器口径的大 小关系不大。由于充气天线的优势在大口径领域更加明显，潜在应用主要在大口 径反射器方面，因此，摄影测量特别适用于充气天线型面精度的测量。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 查阅国内外大量相关文献，介绍了空间充气展开结构的概念和技术特 点；总结了国内外充气展开天线的研究和发展现状，以及目前主要的形面精度测 量方法。 ( 2 ) 阐述了电磁兼容性的概念和应用，以及电磁数据的测量及测试环境。 针对充气展开天线形面精度的研究特点设计了测量的环境、步骤和具体实施的方 法。介绍了电磁数据的主要分析处理方法，可视化成像的图形动态显示技术，以 及主要的后期处理软件o p e n g l 技术。 ( 3 ) 综述了形面精度的主要影响因素和形面精度对天线电性能的影响；根 据已知的焦径比和天线口径，建立了充气后形成的理想抛物面的几何模型；归纳 了各种因素对充气展开天线形面误差的影响；分析了形面误差对天线电性能和增 益的影响，最后确立了准确的误差分析方法。 ( 4 ) 阐述了电磁场强的计算理论，并对模型进行网格划分；确立了数据采 集的方法和采样点的选取数量，制定了图像处理的步骤和程序的流程。 ( 5 ) 对给定的电磁数据进行了可视化成像，得到反射面的场强云图。结合 已经建立的误差分析方法，对充气展开天线充气后的实际形变面与理想面进行比 较分析，得出误差数据。 1 0 基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 ( 6 ) 对本文工作进行总结，对比本文方法与目前最流行的数字摄影测量方 法的优缺点，指出目前研究的不足以及将来发展的方向。 第二章电磁数据的可视化处理 第二章电磁数据的可视化处理 2 1 引言 可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像 在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它用比较形象、直观 的图形图像、动画等多媒体形式表达大量抽象的、不易理解的计算数据与实验数 据，便于人们较快地分析结果及有效地控制过程，提高数据信息的利用效率。 o p e n g l ( 全写o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是个专业的图形程序接口，是一个功能强 大，调用方便的底层图形库。它定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规 格，主要用于三维图像( 二维的亦可) 。而彩色云图及其动态显示是检查、分析电 磁场数据、计算结果的一个非常有效工具，是可视化技术的一个典型应用。所以 我们采集到到二维面上场强的数据集合，以彩色云图的形式反映场强的分布与变 化规律则会更加直观、有效。 本章主要介绍基于电磁兼容理论对电磁数据的处理方法，o p e n g l 技术简介， 以及电磁数据的动态显示技术。 2 2 1 电磁兼容性概念 2 2 电磁兼容理论 随着科学技术的不断发展，各种电气和电子设备已广泛应用于国民经济的各 个部门以及人们的日常生活中。电气和电子设备在正常运行的同时，也往外发射 有用或无用的电磁能量，这些能量会影响其他设备的正常工作，这就是电磁干扰。 而实际上，电磁兼容学的研究对象并不仅限于电气、电子设备，而且涉及自然干 扰源、核电磁脉冲、静电放电、电磁辐射对人体的生态效应，检测地震前的电磁 辐射进行震前预报等问题。所以，有些学者把电磁兼容学科也称为环境电磁学。 而如何使处于同一电磁环境下的各种电气、电子设备或系统能够正常工作又 互不干扰，达到所谓的“兼容”状态，已成为现代电气和电子技术发展过程中必须 解决的难题。于是，抑制干扰的技术也就发展起来了，并且越来越受到人们的重 视，这就是电磁兼容技术【埔】。 电磁兼容是指电气、电子设备或系统的一种工作状态，在这种状态下，它们 不会因为内部或彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性则是指电 1 2基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 气、电子设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力，它是电 气、电子设备或系统的一种重要的技术性能。 2 2 2 电磁数据的测试环境和设备 一、电磁兼容性的测试环境 在电磁兼容性测试中，场地的电磁环境是影响测量结果的重要因素之一。要 保证没有外部干扰对测量结果的影响而不降低测量精度，同时还不影响其他系统 的正常工作，这就要求电磁兼容性测量要有统一的测量场地。 ( 1 ) 开阔区域测试场地 开阔区域测试场地是进行辐射发射专业测试的规定设施。一个开阔区域测试 场地需要一个已校准的接收天线、正确的接地层及优质的同轴电缆，必须远离金 属物体和高强度的电磁场，周围也尽量不要有强电磁干扰源，这可以保证精确地 检测被测设备( e u t ) 的辐射发射。 开阔区域测试场地的结构如图2 1 所示。e u t 和接收天线位于椭圆的两个焦 点，椭圆长轴为e u t 与天线之间距离r 的2 倍，短轴的长度为3r 。 r 图2 1 开阔区域测试场地结构 在电磁兼容领域，开阔区域测试场地主要用于在3 0 m h z - i g h z 频率范围内对 e u t 进行电磁辐射干扰测试，并可适用于较大型e u t 的测试。 ( 2 ) 屏蔽室 电磁屏蔽室是专门设计的能对射频电磁能量起衰减作用的封闭室。它是一种 防止电磁干扰、净化电磁环境的设施，是开阔区域场地的一种替代设施。屏蔽层 第二章电磁数据的可视化处理1 3 不仅要敷设在墙壁和屋顶上，而且地下也要敷设，因为打的的自然屏蔽效果是很 有限的。所有六面都要焊接起来，使屏蔽室形成一个完整的法拉第笼。 在使用屏蔽室进行电磁兼容性测试时，要注意屏蔽室的谐振及反射。根据电 磁场理论，屏蔽室是一个大型矩形波导谐振腔，有多个谐振频率。为了减少误差， 使用屏蔽室测量e u t 时应该避开这些谐振频率。 屏蔽室是一种用于进行诊断性测试或调试已知辐射性电磁干扰问题的设备。 此外，它还可用于常规电磁兼容性传导发射测试。 ( 3 ) 电波暗室 电波暗室( a n e c h o i cc h a m b e r ) 又称电波消声室或电波无反射室。是为避免 一般的屏蔽室各内壁面反射对测试结果的影响，在壁面上加装电磁波吸收器而形 成的。常见的电波暗室分为半电波暗室和全电波暗室。 半电波暗室五面贴吸波材料，模拟开阔试验场，电波传播时只有直射波和地 面反射波。而全电波暗室六面贴吸波材料，模拟自由空间传播环境，而且可以不 带屏蔽，把吸波材料粘贴于木质墙壁甚至建筑物的普通墙壁和天花板上即可。在 全电波暗室中进行辐射发射测量时，接受天线不再接受来自e u t 的地面反射波， 而只接收直射波。 半电波暗室用于电磁兼容测量，包括电磁辐射干扰测量和电磁辐射敏感度测 量。全电波暗室主要用于微波天线系统的指标测量。 在使用频率范围上：半电波暗室频率下限扩展到十几m h z ，虽然3 0 m h z 以 下吸波材料的吸波性能下降，但仍可作屏蔽室使用；全电波暗室用于微波段。 二、电磁兼容性的测试设备 在电磁兼容性测试中，除通用测试探头外，还需要很多专用仪器和装置。如： ( 1 ) 传导干扰测量探头。主要有电压探头、电流探头和功率吸收钳。( 2 ) 天线。 一般分为近场天线的电场测量探头、磁场测量探头和远场天线。( 3 ) 电磁干扰测 量仪频谱分析仪。由于频域测量仪器较时域测量仪器灵敏度高、频率范围宽、动 态范围大。所以现在电磁兼容测量特别是场强的测量多用频域法。电磁干扰测量 仪实质上是一种选频测量仪，它能将由传感器输入的干扰信号中预先设定的频率 分量，以一定的通频带选择出来，予以显示和记录，连续改变设定频率便能得到 该信号的频谱。这种直观而迅速地对被测信号进行频谱分析和幅值测量的能力使 它在电磁兼容性测试中获得了广泛应用。 1 4基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 2 3o p e n g l 技术简介 2 3 1 o p e n g l 简介和主要功能 o p e n g l 的前身是s g i 公司为其图形工作站开发的i r i sg l 。i r i sg l 是一个 工业标准的3 d 图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是s g i 公司便 在i r i sg l 的基础上开发了o p e n g l 。o p e n g l 的英文全称是o p e ng r a p h i c s l i b r a r y ，顾名思义，o p e n g l 便是“开放的图形编程接口”。1 1 9 , 2 0 o p e n g l 实际上是一个开放的三维图形软件包，他独立于窗i = i 系统和操作系 统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；o p e n g l 可 以与v i s u a lc + + 紧密相接，便于实现有关计算和图形算法，可保证算法的正确性 和可靠性；o p e n g l 使用简便，效率高。它具有七大功能： ( 1 ) 建模 o p e n g l 图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复 杂的三维物体( 球、锥、多面体、茶壶等) 以及复杂曲线和曲面( 例如b e z i e r 、 n u e r b s 等曲线或曲面) 绘制函数。 ( 2 ) 变换 o p e n g l 图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、 变比、镜像四种变换，投影变换有平行投影( 又称正射投影) 和透视投影两种变 换。其变换方法与机器人运动学中的坐标变换方法完全一致，有利于减少算法的 运行时间，提高三维图形的显示速度。 ( 3 ) 着色 o p e n g l 提供了两种物体着色模式，一种是r g b a 颜色模式，另一种是颜色 索引模式( c o l o ri n d e x ) 。 ( 4 ) 光照和材质设置 o p e n g l 光有辐射光( e m i t t e dl i g h t ) 、环境光( a m b i e n tl i g h t ) 、漫反射光 ( d i f f u s el i g h t ) 和镜面光( s p e c u l a rl i g h t ) 。材质是用光反射率来表示。场景 ( s c e n e ) 中物体最终反映到人眼的颜色是光的红绿蓝分量与材质红绿蓝分量的反 射率相乘后形成的颜色。 ( 5 ) 纹理映射 利用o p e n g l 纹理映射功能可以十分逼真的表达物体表面细节。 ( 6 ) 位图显示和位图增强 图像功能除了基本的拷贝和图像读写外，还提供融合、反走样和雾的特殊图 像效果处理。以上三条可使被仿真物体更具真实感，增强图形显示的效果。 第二章电磁数据的可视化处理 1 5 ( 7 ) 双缓存动画 双缓存即前台缓存和后台缓存，简而言之，后台缓存显示后台缓存已画好的 画面。此外，利用o p e n g l 还能实现深度暗示、运动模糊等特殊效果。从而实现 了消隐算法。 2 3 2 o p e n g l 图形实现流程 o p e n g l 及其他图形a p i 的内在工作方式有一个重要的结构与操作特征，即 图形实现流程，或图形流水线【2 4 1 。从概念上讲，这就像计算机或汽车制造厂里的 装配线。装配线允许对装配中的个别产品或产品组进行定制处理，对a p i 而言， 代表要描绘的几何物体的数据构成图形流水线的输入。流水线按系统的默认设置 或用户指定的设置完成如空间操纵( 包括移动、缩放、旋转) 等各种操作，最后 产生一幅描绘这些物体的图像。 图2 2 表示一个经过简化的用于二维物体的图形流水线。一个三角形物体定 义在一个由用户选择的坐标系里。这个坐标系为对象空间，即对应于我们周围的 物理空间的连续空间提供一个参照系。流水线由两步组成：几何变换与扫描转换。 几何变换旨在对进入到流水线的数据( 比如该三角形的顶点坐标) 履行空间操纵， 扫描转换则将变换后的物体映射到图像空间，也就是像素坐标系所在的离散空间。 图2 2 中的原始三角形被两次输入流水线进行处理，第一次的几何变换使其围绕 参照坐标系原点逆时针旋转9 0 0 并向右上移动，第二次的几何变换使其向右上作 同样程度的移动。变换后的结果则经过扫描转换而成为构成这两个连续物体的离 散逼近的一个个独立的像素。 物体窄同 y 圈圈 图2 2 经过简化的图形流水线 o p e n g l 是专为三维图像生成而设计的。其中没有单独的二维绘图流水线， 所有二维操作都是作为对应的三维操作的特例( z - - 0 ) 来处理。三维图形流水线 除此之外还需要几项附加作业。作业之一是将三维信息投影n - - 维视平面上，这 1 6基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 项操作等价于照相时镜头所起的作用。另一项作业是隐藏面消隐，被处于观察者 视线上的不透明物体部分或全部遮挡的物体表面不应出现在图像里。此外还有必 要进行光照计算以模拟物体表面的自然阴影。 而在颜色表示上，o p e n g l 可以使用真彩模式。o p e n g l 内部用浮点数来表示 和处理颜色，一种颜色是由红、绿、蓝和a l p h a 值四种成份混合而成的( 其中a l p h a 值用于产生半透明效果) 。这4 种成份的取值范围均为最大1 0 ，最小0 o ，因此 理论上可以产生的颜色数量无限多。从显示角度讲，在绝大多数设备中，颜色值 的输出限制在2 4 位，即1 6 0 0 万种( 2 5 6 2 5 6 2 5 6 ) 。 2 3 3 o p e n g l 开发库的基本组成 ( 1 ) o p e n g l 开发组件 w i n d o w s 下的o p e n g l 组件有2 种，一种是s g i 公司提供的，一种是m i c r o s o t t 公司提供的。两者没有太大的区别，都由3 大部分组成。 l 、函数的说明文件。包括酉h ，g l u h ，g l u t h ，g l a u x h 。 2 、静态链接库文件。包括g l u 3 2 1 i b ，g l u t 3 2 1 i b ，g l a u x 1 i b 和o p e n g l 3 2 1 i b 。 动态链接库文件。包括g l u d l l ，g l u 3 2 d l l ，g l u t d l l ，g l u t 3 2 d l l 和o p e n g l 3 2 d l l 。 ( 2 ) o p e n g l 函数 o p e n g l 库函数大致分为6 类： l 、o p e n g l 核心库，其中的函数名称前缀为西； 2 、o p e n g l 实用库，其中的函数名称前缀为g l u , 3 、o p e n g l 辅助库，其中的函数名称前缀为a u x t 4 、o p e n g l 工具库，其中的函数名称前缀为西u t ； 5 、w i n d o w s 专用库，其中的函数名称前缀为w g l ； 6 、w i n 3 2 a p i 函数库，其中的函数名称无专用前缀。 2 3 4 o p e n g l 双缓存技术的动画实现 由于电磁场的抽象和不确定性，用动画的形式来显示其计算结果，是计算机 图形学中可视化应用的一个重要方面。 平常看到的电视和计算机动画都是采用这样一个基本的原理：我们所能看到 屏幕能以固定的频率被刷新，这样以每秒至少2 4 幅图像的频率显示出现在一系列 连续变化位置上的物体便让我们感到物体并不是静止的，而是在运动的。如果我 们只是简单的把前一幅图像清除，然后画下一幅图像，这样产生的动画并不连贯 且常有闪烁现象。这主要是由于每一幅图像都是基本在刚刚绘制完成的时候就被 第二章电磁数据的可视化处理1 7 消除了。而对于这个问题，我们可以通过使用两个缓冲器来解决：一个保存被显 示的图像，另一个则用来供系统绘制下一幅图像。新图像一完成，便将两个缓存 器的角色进行互换，这样周而复始的进行就可以产生连贯的动画效果。 而o p e n g l 便可以实现这样的过程：在o p e n g l 中我们可以利用双缓存技术 来分配两个缓存区，当前一个中的数据在绘制图形时，另一个同时在进行图形显 示，这样便可以连续显示图形了。当前可见显示图形的视频缓存称为前台视频缓 存，不可见的正在绘制图像的视频缓存称为后台视频缓存。 o p e n g l 应用程序可以在传给g l u t l n i t d i s p l a y m o d e 的参数中加上 g l u td o u b l e 来要求系统提供双缓冲器： g l u t l n i t d i s p l a y m o d e ( g l u t _ d o u b l e i ) ； 即一个由系统的显示设备使用的前缓冲器和一个接受绘图结果的后缓冲器。 要使前后缓冲器互换角色则使用： g l u t s w a p b u f f e r s ( ) ； 该函数取代g l f l u s h 在完成一帧图像的绘制时( 画入后缓冲器) 被用于显示回 调子程序里调用。这样每一帧图像会在绘制完成后才显示出来，观察者便可以看 到连续的每一帧完整的图像，而不是图像的绘制过程。 2 4 电磁数据的可视化技术及图形动态显示技术 2 4 1 矩量法与电磁数据的可视化 电磁场问题通常极具复杂性和多样性，近年来发展了很多种数值计算方法， 而矩量法就是求解电磁场边界问题中一种行之有效的数值方法。它最早被r i c h a r d 和h a r r i n g t o n 用于求解电磁场问题，而后在h a r r i n g t o n 的著作中得到了系统的论 述，从而成为求解电磁场问题的主要方法，并成功地应用于天线问题和电磁散射 问题等。 矩量法【2 l 捌又名m o m 法( m e t h o do f m o m e n t ) 。其数学本质是一种求解线性 方程的方法，在物理上是虚功原理，即把未知函数表示成有限维空间中的向量， 此时系数为未知，利用该空间的内积，将原方程化为形如： a x - b( 2 1 ) 的矩阵方程。 矩量法是内域积分形式的加权余量法的总称。根据加权方法的不通，又可以 分为点配法、最t b - - 乘法和伽辽金发等。其基本原理是：先选定基函数对未知函 数进行近似展开，代入算子方程，再选取适当的权函数，使在加权平均的意义下 1 8基于e m c 对充气展开天线形面精度的研究 方程的余量等于零，由此将连续的算子方程转化为代数方程。在电磁场问题中， 矩量法主要用于求解积分方程。矩量法所做的工作是将积分方程化为差分方程或 将积分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，所以它的主要工作量是 用计算机求解代数方程组。 基于矩量法的n e c 2 核心计算模块计算后得到的是在三维空间中场强数据集 合，直接对这些数据进行分析是一件很繁重的工作，计算结果如果存在什么问题 也很难发现。为迸一步分析场强数据的分布规律，我们采用绘制彩色云图的方法 对这些计算数据进行可视化研究。彩色云图以其直观、有效的优越性广泛应用于 场强数据的后期处理中。 彩色云图【2 3 】的名称来源于气象学中的云图，本文中彩色云图的生成采用了以 下的方法： 选取了足够多的采样点后，利