大型全可动反射面天线是典型的电子装备,其结构设计服务于电性能。天线的电性能与其形面精度息息相关,伴随着反射面天线向高频段、高增益、快响应、高指向精度等趋势发展,如何在保证天线精度的前提下,设计灵巧、低成本且性能优越的天线结(机)构挑战极大。例如,在中国新疆奇台县建造的QTT 110m天线(QiTai radio Telescope,简称QTT),口径达110米,工作频率高达115GHz,为了满足其电性能指标,面精度需优于0.2mm。设计此类大口径、全可动、高精度的天线,势必会带来很多技术难点。反射面天线结构由面板、背架、支托结构及天线座等主要部件组成。本文的第1章为绪论,总结了当前大口径反射面天线的结构设计现状及存在的问题。第2~7章为本文的主要工作,包括两大部分:一是基于传统模式的天线结构保型设计研究和面板模具共享设计研究,二是可带来更大效益和设计自由的模式创新设计。第8章则对本文的工作进行了总结和展望。第2~5章主要针对传统结构设计方法中存在的不足,展开的一系列研究,包括保型设计时的精度计算、高精度天线的支托结构设计及给定精度指标下的反射面面板模具共享设计等。具体地:第2章展示了一种新的反射面天线精度评估过程。作为天线结构优化设计中的重要一环,天线的精度计算至关重要。自重载荷下,反射面天线精度计算步骤包括变形求解、面形吻合、预调角预调、最差精度计算等步骤。传统的预调策略是将反射面的精度在某个角度下调整至最优。然而天线结构设计时,只对最差面精度有约束,而对最优面精度无限制,这意味着传统预调策略不是最优的。针对该问题,本章展示了一种最差精度最优的预调策略,基于此给出了一种新型的反射面天线精度评估方法。第3章研究了反射面天线的变形特点,给出了高精度天线结构的保型设计要点。首先从吻合参数出发,推导了天线在仰天和指平工况下的理想变形形式,分析了产生这些理想变形应该具有的结构特点;其次,通过研究简化的反射体模型变形特点,给出了最优的反射体支撑参数;最后还对Effelsberg 100m天线结构进行了分析,指出了其不足之处。基于第3章的讨论,第4章展示了一种新型的天线背架支托结构方案,并将其成功应用于110m天线结构中,数值仿真结果表明,该天线具有优良的保型特性,在自重载荷下,面精度达可到0.3mm,反射体部分重量小于3000吨,远优于已有方案。第5章提出了一种面向电性能的模具共享策略,该策略可以在给定的面精度约束下,极小化加工面板所需的模具数量。与已有方法相比,本文所提出的模具缩减方法统筹考虑了各环面板误差对电性能的影响,扩大了各环面板的公差设计范围,可从整体的角度来对模具进行缩减。该方法可以高效地给出给定模具数量下,最优模具的位置、模具与面板的对应关系以及最优的有效面精度。其被成功应用到110 m天线面板模具缩减中,结果表明23环面板使用14类模具时,增益损失仅0.05dB。第6~7章主要是为了进一步降低天线结构重量,所进行的天线机/结构创新设计,包括索-桁组合背架结构和并驱式天线座。具体地:考虑到在特定结构中引入预应力索,可以改变结构正常工作时的应力分布,改善结构变形。因此预应力索有降低结构重量和提升天线面型精度的潜力。第6章展示了索桁组合结构在反射面天线中的应用。为了确定预应力索在桁架中的布局,我们将预应力索的布局问题视为索桁组合结构的拓扑优化问题,采用初始缺陷长度这一连续变化的参数作为设计变量,并利用插值方法将索桁单元进行了统一,得到了连续变量拓扑优化模型,利用基于梯度的算法可对其高效求解。将该方法应用到8m口径天线结构设计中,验证了所提策略的有效性。并联机构代表着当今机构学的发展趋势,与串联机构相比,并联机构有刚度大、承载能力强、精度高以及运动负荷小等优点。第7章介绍了一种基于两自由度并联机构的方位-俯仰两轴座架结构形式,详细描述了其运动机理,给出了相关几何参数的确定方法,及并驱式反射面天线的设计方法。将新型的索桁-并驱式方案应用于某26米口径的天线中,数值结果表明,该新型方案可以使得反射面天线自重降低40.5%,驱动功率降低63.3%。