米宏偉，常立新

機(jī)載0.45 m衛(wèi)星通信天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

米宏偉1，常立新2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081；2.總參信息化部駐石家莊地區(qū)軍事代表室，石家莊050081）

根據(jù)載機(jī)平臺的工作模式和環(huán)境要求，論述了機(jī)載0.45 m衛(wèi)星通信天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，包括天線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的重量、幾何尺寸、剛度強(qiáng)度等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元方法對天線結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算和仿真分析，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線結(jié)構(gòu)各項(xiàng)特性均能滿足設(shè)計(jì)要求。該研究結(jié)論可推廣至其他機(jī)載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

衛(wèi)星通信；機(jī)載天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)載工作環(huán)境；仿真分析

1 引言

0.45 m衛(wèi)星通信（簡稱衛(wèi)通）天線項(xiàng)目系某型多用途載機(jī)首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛(wèi)通天線，國內(nèi)尚無類似產(chǎn)品裝備可參考，并且其使用環(huán)境條件復(fù)雜，這些都對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)。

天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程重點(diǎn)考慮了各結(jié)構(gòu)件在載機(jī)實(shí)際工作環(huán)境下的剛度、強(qiáng)度問題。其中許多關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)件，起著支撐天線、固定通信饋線及執(zhí)行伺服驅(qū)動(dòng)的作用，同時(shí)承擔(dān)和隔離載機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，并實(shí)現(xiàn)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)、定位和定向。天線結(jié)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，直接影響到天線系統(tǒng)的精度和可靠性［1］。在天線結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)階段，采用了ProE三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元法利用大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真軟件MSC.Patran／Nastran對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和仿真，加強(qiáng)和優(yōu)化主結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵部位。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)際飛行使用效果顯示，天線的結(jié)構(gòu)特性均能滿足技術(shù)指標(biāo)和使用要求。

2 系統(tǒng)和整機(jī)要求

根據(jù)系統(tǒng)要求，天線系統(tǒng)在飛行過程中要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地手動(dòng)／自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星功能，依賴于天線座結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和傳動(dòng)精度，以保證整個(gè)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率，提高伺服帶寬，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和傳動(dòng)精度。此外，根據(jù)載機(jī)實(shí)際工作環(huán)境要求，在最大限度減輕載機(jī)負(fù)擔(dān)（即減輕天線重量）的前提下，應(yīng)采取合理布局的設(shè)計(jì)思路以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使天線在使用過程中能夠排除和降低載機(jī)工作環(huán)境對其產(chǎn)生的不利影響，保證其可靠性，達(dá)到指標(biāo)要求［2］。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)載機(jī)實(shí)際情況，在保證性能的前提條件下，要求天線的尺寸和重量到達(dá)最小，對此進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，使得0.45 m衛(wèi)通天線外形安裝尺寸（直徑×高度）自最初方案提出的740 mm×600 mm（天線罩），重量約為50 kg，優(yōu)化為700 mm×500 mm（天線罩），重量約為40 kg，如圖1所示。其總體優(yōu)化過程如下：天線的反射體為降低安裝高度，放棄了傳統(tǒng)的拋物面天線，采用了最新研發(fā)成功的低剖面波導(dǎo)陣列天線；座架則仍采用典型的方位-俯仰型結(jié)構(gòu)以保證跟蹤的可靠性；為了減輕重量，除關(guān)鍵傳動(dòng)部件采用40Cr合金鋼外，其余結(jié)構(gòu)件全部選用高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金2A12-T4；由于鋁合金螺紋連接處強(qiáng)度不夠，且重復(fù)拆裝性不好，參考已有航空設(shè)備安裝措施，裝入鋼絲螺套以提高螺牙強(qiáng)度；天線與機(jī)體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機(jī)體振動(dòng)帶給天線的影響；天線罩為降低重量，在保證抗風(fēng)強(qiáng)度的前提下，棄用傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布結(jié)構(gòu)，采用最新的紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，大大降低了安裝重量；所有電纜和波導(dǎo)則為保證氣密性而經(jīng)密封處理后通過安裝孔進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部。

按照以往的工程經(jīng)驗(yàn)，此類機(jī)載通信／雷達(dá)天線在類似的環(huán)境和使用要求下，一般應(yīng)超過此重量與尺寸。因此，與以往工程設(shè)計(jì)的不同之處之一，即在設(shè)計(jì)之初就對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了反復(fù)的比對和二次優(yōu)化。

3.1 天線結(jié)構(gòu)介紹

波導(dǎo)陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸為597 mm×300 mm ×17.5 mm，四周切角以減小回轉(zhuǎn)半徑；經(jīng)過減重處理后的重量約8 kg，電氣性能與0.45 m口徑拋物面天線等效，而高度和厚度則大大低于傳統(tǒng)的拋物面天線。采用這種天線的優(yōu)勢包括剖面低、輻射效率高、口徑分布控制精確、低副瓣、波束指向穩(wěn)定、功率容量大、剛度和強(qiáng)度好、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優(yōu)異的電氣和結(jié)構(gòu)性能等。

3.2 天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

天線座架采用典型的方位-俯仰形式，結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況合理，調(diào)整方便；設(shè)計(jì)選定承載能力強(qiáng)、剛度好、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)臺式結(jié)構(gòu)；因而從整體幾何尺寸的優(yōu)化滿足了最小安裝空間的要求。

俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)支撐采用了圓錐滾子軸承，可同時(shí)承受徑向力和軸向力，以最輕質(zhì)最緊湊的結(jié)構(gòu)滿足天線支撐的需要。關(guān)鍵件俯仰支臂用厚鋁板加工而成，其主要受力部位為軸承孔及與方位轉(zhuǎn)盤的連接面，因此必須在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，對支臂的非承力部分進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體做法如下：整體按照最小幾何尺寸布置；保留軸承孔周邊最小結(jié)構(gòu)尺寸；與方位轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動(dòng)、軸角裝置的連接面相應(yīng)保留足夠厚度；保留一側(cè)面的相對完整，另一面完全成空腔結(jié)構(gòu)；增加與軸承孔的兩道同心加強(qiáng)環(huán)筋，并根據(jù)此零件結(jié)構(gòu)力學(xué)特性將其布置在最優(yōu)強(qiáng)度位置。此外，根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，俯仰支臂與方位機(jī)構(gòu)的的連接根部和俯仰傳動(dòng)鏈末級兩處通常是整個(gè)座架結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)，因此在這兩點(diǎn)處預(yù)先進(jìn)行了局部二次加強(qiáng)，加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部，其優(yōu)化過程如圖2所示。

方位機(jī)構(gòu)的核心傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)盤軸承，優(yōu)選了應(yīng)用廣泛的帶外齒的四點(diǎn)接觸球軸承，使天線座架在保持緊湊的結(jié)構(gòu)和較輕的重量的前提下，能同時(shí)承受較大的軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩和雙向推力載荷，還優(yōu)化了方位總傳動(dòng)比。另一重要部件滑環(huán)，采用具有超長壽命、免維護(hù)、無需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環(huán)。

方位運(yùn)動(dòng)的另一核心部件方位轉(zhuǎn)盤同樣用厚板材加工而成，負(fù)擔(dān)著天線和俯仰支撐的重量，并要具備足夠的剛度，其優(yōu)化思路過程與俯仰支臂相似，也包括軸承結(jié)構(gòu)保留、連接面強(qiáng)化、空腔化減重及同心加強(qiáng)環(huán)筋的布置，其優(yōu)化過程如圖3所示。

方位驅(qū)動(dòng)和俯仰驅(qū)動(dòng)均選用輕質(zhì)、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機(jī)，末級增加間隙調(diào)整裝置，可調(diào)節(jié)傳動(dòng)回程間隙。

將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型再由力學(xué)仿真進(jìn)行分析驗(yàn)算。

4 天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

由于天線的質(zhì)量分布很復(fù)雜，很難用解析的方法得到其解析解，因此采用專業(yè)有限元分析軟件MSC.PATRAN／NASTRAN進(jìn)行力學(xué)分析和仿真。

4.1 有限元模型的建立

天線整體結(jié)構(gòu)的有限元模型包括反射體、座架結(jié)構(gòu)、俯仰齒輪及其連接支撐結(jié)構(gòu)、方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。為降低軟件的計(jì)算量和復(fù)雜度，先對天線整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，去掉冗余節(jié)點(diǎn)，再采用MSC.PATRAN軟件單獨(dú)對其組成零件劃分網(wǎng)格，最后將劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行組裝。采用了映射網(wǎng)格劃分方法，面上網(wǎng)格全部為四邊形，體則全部為六面體，這種劃分能夠更準(zhǔn)確地描述天線座架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移情況［3］。

模型的約束條件如下：天線座架的2個(gè)俯仰軸系各有一點(diǎn)的3個(gè)轉(zhuǎn)角自由度釋放，方位軸系釋放繞垂直軸轉(zhuǎn)角自由度及垂直方向位移自由度，約束其余4個(gè)自由度。

模型的材料屬性如下：天線座架的各軸、軸承、齒輪定義屬性為鋼40Cr，而其他零件定義屬性為硬鋁2A12-T4。

建立的天線結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

4.2 模態(tài)分析

天線座架是一個(gè)復(fù)雜的彈性系統(tǒng)，如果其結(jié)構(gòu)固有頻率與伺服帶寬靠近甚至落入伺服帶寬之內(nèi)，各種伺服噪聲就會激發(fā)系統(tǒng)發(fā)生諧振，造成伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法工作，甚至使結(jié)構(gòu)破壞。為保證伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并有足夠的穩(wěn)定裕度，通常要求結(jié)構(gòu)固有頻率高于伺服帶寬3～5倍［4］。

通過計(jì)算得到天線結(jié)構(gòu)模型的固有頻率，在第1、2、3、4階模態(tài)下，其值分別為28.7 Hz、29.2 Hz、51.4 Hz、60.8 Hz，而本天線伺服系統(tǒng)的帶寬為2.7 Hz左右，可見固有頻率遠(yuǎn)大于伺服系統(tǒng)的帶寬，因此，天線的伺服系統(tǒng)擁有足夠的穩(wěn)定裕度。

4.3 沖擊振動(dòng)分析

依據(jù)實(shí)際環(huán)境使用要求，沖擊環(huán)境條件為：采用半正弦脈沖，峰值加速度15 g，脈沖寬度11 ms，3個(gè)互相垂直軸，6個(gè)軸向施加。

對模型施加沖擊載荷并進(jìn)行有限元分析，得到了如下分析結(jié)果：最大應(yīng)力出現(xiàn)在z軸（圖5），可以看出最大應(yīng)力處位于俯仰支臂的連接根部位置，最大應(yīng)力值為109 MPa，小于材料的屈服極限σ0.2=

275 MPa。所以，在給定的沖擊載荷條件下，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

振動(dòng)條件見圖6振動(dòng)譜，其中額外迭加的4處定頻振動(dòng)峰值依次為1.6 g、2.5 g、1.7 g、1.5 g。

對模型施加振動(dòng)載荷并進(jìn)行有限元分析，得到了如下分析結(jié)果：最大應(yīng)力出現(xiàn)在y軸（圖7），同樣位于俯仰支臂的連接根部位置，其高斯分布規(guī)律的應(yīng)力3σ值為178 MPa，小于材料的屈服極限值σ0.2 =275 MPa。所以，在給定的隨機(jī)振動(dòng)條件下，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

按照要求對完成的設(shè)備進(jìn)行沖擊振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，從結(jié)果來看：主結(jié)構(gòu)件經(jīng)優(yōu)化過的關(guān)鍵部位未出現(xiàn)以往相似工程中出現(xiàn)的剛度、強(qiáng)度不足的問題；改用輕質(zhì)材料或采取減重措施的零部件受力情況與分析結(jié)果基本一致，均能滿足設(shè)計(jì)要求；天線整體頻響特性較好，在功能實(shí)驗(yàn)全程中運(yùn)行正常，能夠滿足跟蹤要求。

5 結(jié)論

在0.45 m機(jī)載天線的設(shè)計(jì)中，對載機(jī)的工作模式和環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行了較為深入的研究，找出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要增強(qiáng)或優(yōu)化的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，驗(yàn)證了天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對伺服系統(tǒng)的重要性。在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中，采用專業(yè)軟件較好地解決了天線結(jié)構(gòu)尺寸重量強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)、載機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等主要問題。天線系統(tǒng)精度較高，結(jié)構(gòu)性能良好，從實(shí)際飛行過程中的具體通信效果來看，電氣、伺服、結(jié)構(gòu)等各項(xiàng)性能指標(biāo)均完全滿足系統(tǒng)要求。

由于國內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用尚處于初步階段，0.45 m機(jī)載天線的研究結(jié)果對類似的機(jī)載雷達(dá)／通信天線的研發(fā)可以提供相應(yīng)的技術(shù)參考和借鑒。需要指出的是，各種載機(jī)平臺擁有各自不同的特性，對天線結(jié)構(gòu)的要求也相應(yīng)有所不同，建議今后對不同的載機(jī)平臺，應(yīng)進(jìn)一步增加針對性的設(shè)計(jì)工作。

［1］洪長滿，段勇軍.機(jī)載雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能評估［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33（6）：72-75.

HONG Chang-man，DUAN Yong-jun.Performance Evaluation of Stiffness and Strength of Antenna Pedestal Structure in an Airborne Radar［J］.Modern Radar，2011，33（6）：72-75.（in Chinese）

［2］南雁，郭建平，張婭妮.某機(jī)載電子設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2011，41（3）：97-100. NAN Yan，GUO Jian-ping，ZHANG Ya-ni.Structure Design of Airborne Electronic Equipment for a Certain Aircraft［J］.Aeronautical Computing Technique，2011，41（3）：97-100.（in Chinese）

［3］趙汝嘉.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

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［4］葉尚輝，李在貴.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

YE Shang-hui，LI Zai-gui.Design of antenna structure［M］.Xi′an：Northwest Telecommunication Engineering College Press，1986.（in Chinese）

MI Hong-wei was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1978.He received the M.S.degree from Northwestern Polytechnical University in 2004.He is now an engineer.His research concerns antenna overall structure and structure design of the servo drive.

Email：howardmee＠163.com

常立新（1985—），男，遼寧鞍山人，2007年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為助理工程師，主要從事衛(wèi)星通信方面的研究工作。

CHANG Li-xin was born in Anshan，Liaoning Province，in 1985.He received the B.S.degree from Harbin Polytechnical University in 2007.He is now an assistant engineer.His research concerns satellite communication.

Structure Design of an Air-borne 0.45 m Satellite Communication Antenna

MI Hong-wei1，CHANG Li-xin2
（1.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China；2.The Military Representative Office of The General Staff Department of Information in Shijiazhuang，Shijiazhuang 050081，China）

According to the work mode and environment requirement of airplane platform，the process of an airborne 0.45 m satellite communication antenna structure design is discussed，involving the optimization of weight，dimensions，stiffness and strength for the antenna′s key structural parts.Mechanics calculation and simulation analysis of FEA（Finite Element Analysis）to the antenna structure model is performed，and the result is confirmed by experiment.The results show that all properties of the optimized antenna′s structure components meet designed requirements.The conclusion can be of great significance to other airborne antenna structure design.

satellite communication；air-borne antenna；structure design；air-borne work environment；simulation analysis

TN927；TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.019

米宏偉（1978—），男，河北石家莊人，2004年于西北工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事天線總體結(jié)構(gòu)和伺服傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

1001-893X（2012）07-1143-04

2012-04-11；

2012-05-28