梁 旭，任開鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

一種雙圓極化天線的結構設計與力學分析*

梁 旭，任開鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

圓極化天線在衛(wèi)星通信、電子對抗等領域有其自身鮮明的特點和優(yōu)勢，而高增益雙圓極化天線是未來星載通信天線的重點研究方向。文中介紹了一種新型雙圓極化平面激勵杯狀天線的結構設計方案，該方案實現(xiàn)方式簡單，加工裝配周期短，有利于電訊方案的快速驗證。為測試天線的力學性能，利用ANSYS有限元分析軟件對天線進行了模態(tài)、過載、隨機振動條件下的仿真分析。結果表明，相關性能完全符合指標要求。此方案對該類型天線的設計和分析提供了參考和依據(jù)。

雙圓極化；杯狀天線；結構設計；力學分析

引 言

天線作為一種發(fā)射和接收無線信號的設備，是雷達系統(tǒng)和無線通信中的一個重要部件。隨著通信、遙感、遙測技術的發(fā)展，單一極化方式的天線很難滿足天線抗云、雨、霧、霾等惡劣天氣干擾的需求。在電子對抗領域，圓極化天線可以干擾和偵察各種線極化和圓極化的電磁波[1]。因此，圓極化天線在衛(wèi)星通信、電子對抗等方面具有重要的應用價值[2-3]。

高增益的圓極化天線形式主要有喇叭天線、螺旋天線和平面激勵杯狀天線等。喇叭天線結構尺寸較大，很難滿足機載、星載天線對重量的要求[4-5]；螺旋天線體積小、重量輕、頻帶寬，但難以實現(xiàn)雙圓極化，且制造加工復雜[6-7]；平面激勵杯狀天線具有重量輕、軸比好、可實現(xiàn)雙圓極化的特點，近年來在國外星載天線中得到廣泛應用，但目前國內對這種形式天線的研究很少，多集中在雙圓極化微帶天線方面[8-10]。本文就一種新型雙圓極化平面激勵杯狀天線的結構設計和相關力學性能進行了論述和分析。

1 天線結構設計

高增益雙圓極化天線的電訊方案如圖1所示，采用平面激勵金屬振子、杯狀反射背腔和四點饋電的形式。天線主要由金屬碟形振子、反射杯和饋電網(wǎng)絡3大部分組成。饋電采用四點饋電以改善天線在大角度掃描時軸比惡化的問題，4個饋電點沿天線周向90°均勻分布，饋電網(wǎng)絡采用90°電橋與180°環(huán)形電橋互聯(lián)的形式。

圖1 杯狀天線示意圖

1.1 方案選擇

根據(jù)電訊設計方案，該杯狀天線的結構特點為：

1)碟形振子為由細長桿件串聯(lián)起來的3個不同直徑的金屬薄片；

2)反射杯為金屬薄壁件，壁厚按電訊方案僅為1 mm；

3)振子饋電與合成網(wǎng)絡采用絕緣子垂直互聯(lián)；

4)外部信號接口的引出形式亦采用垂直連接。由此可以看出：該類天線的主要零部件多為細長桿件和薄壁件，加工和成形難度較高；電連接均采用垂直互聯(lián)形式，對零件間定位和精度控制有較高要求。

針對天線電訊方案的特點，提出了以下3種天線結構實現(xiàn)形式，并對各自的優(yōu)缺點進行了對比分析：

1)碟形振子、反射杯和饋電網(wǎng)絡殼體采用一體成形的方式。該方案可最大程度地降低天線重量，保證饋電點精度，但由于難以對饋電點處的匹配塊進行機加工，因而需采用整體鑄造的方式。因此該方案加工周期長，成本高，且鑄造過程中薄壁件的變形難以控制。

2)碟形振子和反射杯采用分別機加工后再焊接的方式，饋電網(wǎng)絡殼體共用反射杯底面。采用該方案加工完成的天線與方案1的重量相當，但焊接時細長桿件和薄壁件會變形，且焊接處的結構強度難以滿足力學環(huán)境條件的要求。

3)碟形振子、反射杯和饋電網(wǎng)絡殼體分別作為3個零件單獨進行機加工，再通過螺紋連接實現(xiàn)天線裝配。

楊譯：“As for books of the beauty-and-talentedscholar type, a thousand are written to a single pattern and none escapes bordering on indecency. They are filled with allusions to handsome, talented young men and beautiful, refined girls in history. ”［5］2

該方案中由于無法共用結構件，因而天線重量較前2個方案高，但由于全部零件均在機加工后再通過螺紋連接裝配，因而實現(xiàn)難度最低，加工周期短，作為小批量試驗件兼具成本低的特點。根據(jù)分析結果，最終采用了方案3的天線實現(xiàn)形式，天線結構如圖2所示。

圖2 天線結構爆炸圖

1.2 結構設計

天線振子由金屬棒材車削加工而成，在根部加工一段外螺紋用來連接反射杯，為實現(xiàn)振子與反射杯之間的周向定位，反射杯與振子連接處采用腰形孔以防止振子作周向轉動。饋電網(wǎng)絡采用具有低損耗特性的空氣板線搭建，由于拓撲結構復雜，為保證加工精度，采用線切割方式加工成形，并通過聚四氟乙烯材料支撐柱固定在網(wǎng)絡殼體內。天線振子與饋電網(wǎng)絡之間采用介質體和導電體實現(xiàn)電連接，裝配后進行局部焊接以保證連接可靠。饋電連接器采用TNC型連接器，并選用分瓣式內導體以實現(xiàn)垂直連接時的彈性脹緊。

1.3 材料選擇

為滿足天線重量指標要求和相關力學環(huán)境條件，對杯狀天線各零件的材料進行了分析和選用。由于碟形振子采用細長桿懸臂結構，因此為保證其根部的剛強度，選用了剛強度較好的鋁合金2A12材料并進行導電氧化處理；4處饋電點內導體和饋電網(wǎng)絡空氣板線采用黃銅H62(Y)加工而成，并進行表面鍍銀處理以提高焊接可靠性；4處饋電點介質體和空氣板線支撐件均采用聚四氟乙烯加工；反射杯、饋電網(wǎng)絡殼體和蓋板采用鋁合金5A06材料以降低天線的重量。經(jīng)過加工裝配完成的天線樣機如圖3所示。

圖3 天線樣機

2 天線力學分析

天線作為星地通信的基本單元，要保證能在空間環(huán)境中正常工作，就必須滿足運載器發(fā)射段的力學環(huán)境要求。根據(jù)某星載天線的技術要求，利用ANSYS有限元分析軟件，對該方案天線開展了力學性能分析，為天線的結構設計方案提供支撐和優(yōu)化依據(jù)。

2.1 天線有限元建模

圖4 天線有限元模型

其主要參數(shù)為

1)坐標系定義：設置天線反射杯底面為XY平面，天線波束法線方向為-Z向。

2)邊界約束條件：由于天線通過饋電網(wǎng)絡殼體上6處沿周向均勻分布的螺紋孔與安裝框架連接，因此將此6處平面設置為固定約束。

3)材料特性：鋁合金2A12(T4)的彈性模量E=71 GPa，泊松比μ=0.31，抗拉強度σb=420MPa，屈服強度σ0.2=280MPa，密度ρ=2.7 g/mm3；鋁合金5A06(H112)的彈性模量E=68.6 GPa，泊松比μ=0.3，抗拉強度σb=325 MPa，屈服強度σ0.2=170 MPa，密度ρ=2.7 g/mm3；黃銅H62(Y)的彈性模量E=110 GPa，泊松比μ=0.34，抗拉強度σb=370 MPa，密度ρ=8.5 g/mm3。

2.2 天線力學仿真結果及分析

2.2.1 模態(tài)仿真

在邊界條件約束情況下，對天線進行模態(tài)分析。天線的前6階固有頻率見表1，第1階頻率為222.69 Hz。

表1 前6階固有頻率

天線的前6階振型如圖5所示。從圖5中可以看出，天線的前6階振型均表現(xiàn)為天線局部振型，前2階振型為碟形振子的整體彎曲，第3階和第4階振型為饋電網(wǎng)絡板線環(huán)形段的局部彎曲，第5階和第6階振型表現(xiàn)為反射杯側壁的波浪形彎曲。從模態(tài)分析的結果可以看出，由于杯狀天線的主要零件構型為細長桿件或薄壁件，因而天線局部剛度較低。因此在滿足天線電性能要求的情況下，可通過加大這些零件的桿件直徑、增加局部加強筋等方法來提高天線的局部剛度。

圖5 前6階模態(tài)振型圖

2.2.2 過載仿真

星載天線在發(fā)射過程中必須能夠滿足不同方向的加速度過載要求，考察天線在分別承受X、Y、Z方向15g加速度過載條件下的變形和應力情況。仿真分析結果見表2，最大變形為0.102 mm，發(fā)生在碟形振子的頂部，最大應力為18.69 MPa，發(fā)生在碟形振子某一饋電點處。

表2 15g過載條件下的變形和應力

從過載分析的結果可以看出，天線在承受15g過載條件下表現(xiàn)出了較好的結構剛強度，變形和應力均較小，具有較高的安全裕度，不會發(fā)生破壞。

2.2.3 隨機振動仿真

根據(jù)天線所安裝平臺的力學試驗測試條件，對天線在承受X、Y、Z向隨機振動條件下的力學響應進行仿真分析，隨機振動仿真條件見表3。

表3 隨機振動仿真條件

天線在上述仿真條件下的隨機振動變形和應力情況見表4，基本趨勢與15g過載條件下的力學表現(xiàn)類似，最大變形為0.626 mm，發(fā)生在碟形振子的頂部，最大應力為116.03 MPa，發(fā)生在同一碟形振子饋電點處。

表4 隨機振動條件下的變形和應力(3σ)

從上述結果可以看出，由于杯狀天線的碟形振子支撐桿較細且為懸臂結構，因而振子頂端的變形量較大。最大應力發(fā)生在碟形振子的饋電點處的主要原因是內導體直徑較小，在振動條件下需抵抗碟形振子的金屬碟片變形，從而造成應力集中。在3σ可信度條件下，仿真計算得到的最大應力仍然能夠保證鋁合金2A12材料的強度裕度，不會發(fā)生破壞。在保證電性能要求條件下，可適當加大內導體的直徑，以增加碟形振子饋電點處的強度，保證更大的強度裕度。

3 結束語

本文介紹了一種新型雙圓極化天線的結構設計，通過選擇合理的結構實現(xiàn)方案，降低了天線主要零部件的加工和裝配難度，使電訊設計方案能夠得以快速驗證。文中還對該天線進行了力學性能仿真分析，仿真結果表明，該形式天線作為星載通信天線可以滿足發(fā)射主動段的力學環(huán)境要求。該天線的電訊性能均能滿足電訊指標要求，但其整體結構過于復雜，一體化水平低，后期可通過優(yōu)化構型，對天線反射杯與饋電網(wǎng)絡殼體進行結構復用，進一步降低天線的整體質量，并提高電連接的可靠性。此外，星載通信天線的空間環(huán)境防護問題一直是工程化的重點和難點，本文提出的雙圓極化天線也不例外，尤其是天線饋電處的電連接結構在承受高低溫交變和原子氧侵蝕等條件下的防護問題將是未來該天線產(chǎn)品化的關鍵。

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梁 旭(1985-)，男，博士，工程師，主要研究方向為星載雷達結構設計和力學分析。

任開鋒(1979-)，男，高級工程師，主要從事雷達天線結構設計工作。

Structure Design and Mechanical Analysis of a Dual-circular Polarization Antenna

LIANG Xu，REN Kai-feng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The circular polarization antenna has many unique advantages in satellite communication, electronic warfare systems, etc. And the high-gain antenna with dual-circular polarization is an important part in the future space-borne communication antenna system. In this paper, the structure design of a novel dual-circular polarization cup antenna is introduced. The design method has advantages of easy realization and efficient production. Mechanical analysis including modal, overload and random vibration analysis is conducted by the finite analysis software ANSYS to test the mechanical performances of the antenna. The result shows that the mechanical performances of the antenna meet the requirements of the design indexes. It can be used as reference for the design and study of this kind of antenna.

dual-circular polarization; cup antenna; structure design; mechanical analysis

2015-03-09

TN82

A

1008-5300(2015)03-0020-04