李 成 丁 飛

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

1887年著名物理學(xué)家赫茲為驗證數(shù)學(xué)家麥克斯韋預(yù)言的電磁波設(shè)計了第一個天線。之后，隨著對遠(yuǎn)洋通信、天地通信、空天通信等迫切需求以及無線電電子學(xué)科快速發(fā)展，天線的設(shè)計方法及應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。歷經(jīng)百年的發(fā)展與演變，天線已是無線電通信、廣播、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙測測控等各類無線電通信系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備。

尤其在雷達(dá)領(lǐng)域，雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝是雷達(dá)研制過程中的重要環(huán)節(jié)，它對保證雷達(dá)的優(yōu)良性能起著重要的作用。精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計是雷達(dá)性能和質(zhì)量的重要保證[1]。天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統(tǒng)。由于天線的型式與種類繁多，天線的用途、工作狀態(tài)、型式和尺寸也不相同，對其要求也各不相同。

1 雷達(dá)對天線的要求及技術(shù)指標(biāo)

1.1 雷達(dá)對天線的要求

在雷達(dá)領(lǐng)域，天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統(tǒng)。由于其用途、工作狀態(tài)、應(yīng)用環(huán)境和場合的不同，每一種情況都有它的特殊要求，但是歸納起來，總有幾個方面是必須考慮的[2]。

1)天線性能及工作狀態(tài)的的要求

天線應(yīng)滿足雷達(dá)整機(jī)的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)要求的各項電性能指標(biāo)。這些指標(biāo)決定了天線的型式與尺寸大小。根據(jù)雷達(dá)的用途不同，天線的工作狀態(tài)分為固定式和運動式等兩種。

2)天線結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的要求

①天線在各種載荷作用下，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證不發(fā)生破壞；

②天線在工作時，應(yīng)具有足夠的剛度，即在各種載荷作用下，結(jié)構(gòu)變形應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)；

③結(jié)構(gòu)重量要輕。重量與強(qiáng)度或剛度的要求往往是矛盾的，因此選擇材料和結(jié)構(gòu)型式應(yīng)力求先進(jìn)，如采用薄壁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度大而重量輕的材料等。

④結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)阻力盡量小。

3)天線結(jié)構(gòu)可靠性及制造工藝的要求

天線應(yīng)能適應(yīng)各種環(huán)境條件與戰(zhàn)爭條件，應(yīng)能防腐蝕、耐熱、耐低溫等。先進(jìn)的制造工藝支撐著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，是雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的有效保證。

1.2 二次雷達(dá)對天線的要求及技術(shù)指標(biāo)

二次雷達(dá)具有作用距離遠(yuǎn)及較好的方位精度。同時由其機(jī)場區(qū)域飛機(jī)密度大，為保證航管的可靠性，則要求二次雷達(dá)具有較高的數(shù)據(jù)率，即應(yīng)有較高的天線轉(zhuǎn)速和重復(fù)頻率。為實現(xiàn)二次雷達(dá)的各項關(guān)鍵指標(biāo)，一般采用全波振子為基本單元的和差天線陣[3]。在水平面內(nèi)要求強(qiáng)方向性，就要求天線陣在水平面內(nèi)排列的單元多，尺寸大；在鉛垂面內(nèi)要求足夠的覆蓋角度，則要求天線陣在垂直面內(nèi)尺寸小。故二次雷達(dá)天線陣采用大垂直孔徑天線[4](其天線結(jié)構(gòu)總體見圖1所示)。但由于該類天線通常轉(zhuǎn)速快且自身慣量大，僅僅由于本身重量引起的變形就可能超出精度要求，面對機(jī)場環(huán)境，同時還需具備高抗風(fēng)能力和高防護(hù)性能等特性，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計十分必要。

依據(jù)二次雷達(dá)對天線的要求，天線的設(shè)計指標(biāo)如下：

1)天線型式：柵欄式陣面天線結(jié)構(gòu)；

2)天線口徑(長×寬)：7900mm×1700mm；

①室外工作：360°方位旋轉(zhuǎn)工作；

②抗風(fēng)能力： 工作風(fēng)速≤45m/s；

3)天線陣面精度：σ<0.68mm(均方差)；

4)在最大工作載荷(風(fēng)速45m/s)下天線結(jié)構(gòu)的不發(fā)生塑性變形，天線結(jié)構(gòu)各部分均不產(chǎn)生強(qiáng)度失效，強(qiáng)度校核安全系數(shù)不小于1.3[5]。

1.3 天線結(jié)構(gòu)材料的選擇

按照工程經(jīng)驗，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度滿足要求時，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本上能夠滿足要求。經(jīng)過綜合比較并結(jié)合實際應(yīng)用，天線列饋輻射單元、天線反射棒、天線箱體中的骨架、蒙皮及天線支架采用5A06鋁合金，天線箱體中的支耳、俯仰機(jī)構(gòu)采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

表1 材料力學(xué)性能

1.4 天線風(fēng)載荷計算

天線工作時載荷有兩種，一種是垂直方向載荷，取決于設(shè)備自身的重量；另一種是水平方向載荷，主要是天線在極限工況下的風(fēng)載荷。整機(jī)系統(tǒng)要求在45m/s風(fēng)速下天線能正常工作不發(fā)生塑性變形。由風(fēng)力計算公式[2]：

(1)

式(1)中，F(xiàn)為風(fēng)阻力；v為風(fēng)速；A為二次天線特征面積13.6m2；ρ0為空氣密度(計算時取0.125kg/m3)；CF為水平風(fēng)阻力系數(shù)，不同風(fēng)向角時的水平風(fēng)阻力系數(shù)見表2。

表2 風(fēng)向角與水平風(fēng)阻力系數(shù)對應(yīng)表

風(fēng)向角(°)CF風(fēng)向角(°)CF風(fēng)向角(°)CF00.328750.291500.47150.34900.311650.41300.41050.3481800.399450.421200.438600.3831350.48

由表2可知，風(fēng)向角為135°時，水平風(fēng)阻系數(shù)最大為0.48，與此相應(yīng)的風(fēng)阻力也最大。根據(jù)天線迎風(fēng)面特征面積A和風(fēng)阻系數(shù)CF，由風(fēng)力計算公式計算出天線結(jié)構(gòu)在45m/s風(fēng)速下的負(fù)載為8.5kN。其天線風(fēng)載方向示意圖見圖2。

圖2 雷達(dá)天線風(fēng)載方向示意圖

2 A方案：框架鉚接天線的力學(xué)分析

2.1 框架鉚接天線的結(jié)構(gòu)型式

本方案采用空間桁架鉚接骨架箱體結(jié)構(gòu)。根據(jù)該方案天線結(jié)構(gòu)按照力學(xué)模型主要分為三部分：最前端是由列饋輻射單元、反射棒等單元組成的天線陣面；中間是天線箱體，承載天線陣面及箱體內(nèi)部饋電網(wǎng)絡(luò)；天線箱體下方是由天線支架、支耳、俯仰機(jī)構(gòu)等單元組成的整個天線支撐結(jié)構(gòu)。該方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 A方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 力學(xué)分析

1)天線自重

在考慮結(jié)構(gòu)自重影響的工況下，鉚接箱體的重量為440 kg，施加慣性載荷9.8 m/s2。

P=mg=440kg×9.8m/s2=4410N(質(zhì)量M=440kg)

(2)

2)仿真分析計算結(jié)果

根據(jù)二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)規(guī)范及技術(shù)條件要求，當(dāng)風(fēng)速≤45m/s時，應(yīng)保證二次天線正常工作，因此主要計算天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)值，計算結(jié)果如圖4至圖6所示，天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置的最大應(yīng)力109.9MPa，天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置的最大應(yīng)力197MPa。

圖4 A方案天線箱體45m/s風(fēng)速下骨應(yīng)力分布

圖5 A方案天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置應(yīng)力云圖

圖6 A方案天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置應(yīng)力云圖

通過計算天線陣面的均方差數(shù)值，如圖7所示，在天線陣面上均勻選取105個點的變形數(shù)值，求得隨機(jī)誤差及平均誤差，代入天線陣面均方差計算公式(3)：

(3)

圖7 A方案天線陣面誤差取值模型(風(fēng)速45m/s)

式(3)中：si為隨機(jī)誤差；s0為平均誤差；n取值數(shù)。

通過以上力學(xué)仿真分析，可以得出天線陣面精度計算結(jié)果及結(jié)論(見表3)及天線強(qiáng)度計算結(jié)果及結(jié)論(見表4)。

表3 天線陣面精度計算結(jié)果及結(jié)論

計算工況最大變形計算結(jié)果(均方差)指標(biāo)要求(均方差)結(jié)論風(fēng)速45m/s5.79mm0.4653<0.68滿足精度指標(biāo)要求

表4 天線強(qiáng)度計算結(jié)果及結(jié)論

計算工況天線材料屈服強(qiáng)度(MPa)最大應(yīng)力(MPa)安全系數(shù)結(jié)論風(fēng)速45m/s鋁合金5A06155109.91.4不銹鋼1Cr18Ni9Ti2751971.4滿足安全要求

2.3 框架鉚接天線存在的不足

本方案天線箱體采用空間桁架骨架外包鋁蒙皮鉚接箱體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計。其產(chǎn)品加工技術(shù)成熟，但其零部件過多，導(dǎo)致加工周期長，裝配流程繁瑣；焊縫以及鉚接點過多，只能采用帶膠鉚接密封方式；隨時間增長容易出現(xiàn)銹蝕、脫膠、漏水等缺陷。同時天線箱體外表面蒙皮鉚釘連接處打膠鼓包大小不一，影響美觀及可靠性。

3 B方案：整體焊接天線的力學(xué)分析

3.1 整體焊接天線的結(jié)構(gòu)型式

本方案將鉚接箱體改為焊接箱體，箱體整體采用鋁合金材料，焊接采用攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦焊這種連接技術(shù)與傳統(tǒng)概念中的摩擦焊方法相似，不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入關(guān)鍵的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，同時對材料攪拌摩擦來完成焊接。該技術(shù)的優(yōu)越性：沒有氣孔出現(xiàn)的可能性；在焊接鋁合金時不會產(chǎn)生與熔化焊有關(guān)的焊接缺陷，也不會降低焊接接頭的性能；焊后變形小、殘余應(yīng)力?。缓附映杀镜?、效率高。本方案箱體整體采用薄鋁板及鋁型材焊接成形，其余部分的安裝接口尺寸均和鉚接箱體相同。該方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 B方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 力學(xué)分析

1)天線自重

在考慮結(jié)構(gòu)自重影響的工況下，焊接箱體的重量為400kg，施加慣性載荷9.8m/s2。

P=mg=400kg×9.8 m/s2=3930N(質(zhì)量M=400kg)

(4)

2)仿真分析計算結(jié)果

根據(jù)二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)規(guī)范及技術(shù)條件要求，當(dāng)風(fēng)速≤45m/s時，應(yīng)保證二次天線正常工作，因此主要計算天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)值，計算結(jié)果如圖9至圖11所示，天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置的最大應(yīng)力150MPa，天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置的最大應(yīng)力75MPa。

圖9 B方案天線箱體45m/s風(fēng)速下骨架應(yīng)力分布

圖10 B方案天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置應(yīng)力云圖

圖11 B方案天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置應(yīng)力云圖

圖12 B方案天線陣面誤差取值模型(風(fēng)速45m/s)

通過計算天線陣面的均方差數(shù)值，如圖12所示，在天線陣面上均勻選取105個點的變形數(shù)值，求得隨機(jī)誤差及平均誤差，代入天線陣面均方差計算公式(5)。

(5)

式(5)中：si為隨機(jī)誤差；s0為平均誤差；n取值數(shù)。

通過以上力學(xué)仿真分析，可以得出天線陣面精度計算結(jié)果及結(jié)論(見表5)及天線強(qiáng)度計算結(jié)果及結(jié)論(見表6)。

表5 天線陣面精度計算結(jié)果及結(jié)論

計算工況最大變形計算結(jié)果(均方差)指標(biāo)要求(均方差)結(jié)論風(fēng)速45m/s2.5mm0.5129<0.68滿足精度指標(biāo)要求

表6 天線強(qiáng)度計算結(jié)果及結(jié)論

計算工況天線材料屈服強(qiáng)度(MPa)最大應(yīng)力(MPa)安全系數(shù)結(jié)論風(fēng)速45m/s鋁合金5A0615577.622.0不銹鋼1Cr18Ni9Ti27552.695.2滿足安全要求

3.3 與傳統(tǒng)鉚接天線箱體的對比

本方案天線箱體采用薄鋁板整體焊接結(jié)構(gòu)形式設(shè)計。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，加工周期短，整體密封性好且適合批量生產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀。該方案天線箱體整體外觀如圖13所示。鉚接箱體和焊接箱體的性能指標(biāo)對比如表7。

圖13 B方案天線箱體整體外觀圖

表7 鉚接箱體和焊接箱體的性能指標(biāo)對比

名稱A方案-鉚接箱體B方案-焊接箱體結(jié)構(gòu)形式采用空間桁架鉚接采用鋁板整體焊接天線口徑(長×寬)7900mm×1700mm7900mm×1700mm零部件數(shù)量83個品種約450件13個品種約49件結(jié)構(gòu)及制造工藝零部件數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、加工周期較長、密封膠防雨壽命有限、鉚接結(jié)構(gòu)外形凸起影響美觀等問題采用成熟制造工藝,易于批產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀制造成本及周期成本較高,加工周期較長成本、制造周期優(yōu)勢明顯天線質(zhì)量440kg400kg天線陣面精度(相同工況下)σ=0.4653<0.68mm(均方差)σ=0.5129<0.68mm(均方差)天線整體強(qiáng)度(相同工況下)鋁合金安全系數(shù)為1.4>1.3鋁合金安全系數(shù)為2.0>1.3

4 結(jié)束語

針對二次雷達(dá)傳統(tǒng)鉚接陣列天線設(shè)計中零部件數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、鉚接點過多易出現(xiàn)銹蝕、脫膠、漏水等不足，提出采用鋁板整體焊接的改進(jìn)方案，并進(jìn)行力學(xué)分析及性能指標(biāo)對比，理論分析表明改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，整體密封性好且

適合批量生產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀等優(yōu)點。在實際工程的驗證，改進(jìn)方案確實存在較大優(yōu)勢。這為陣列天線的設(shè)計提供了新的改進(jìn)思路，并為實際的工程應(yīng)用提供了新的解決方案。