摘要：天線副反射面是卡塞格倫拋物面天線系統(tǒng)中的重要組成部分，而副面支撐結(jié)構(gòu)在固定副反射面的準(zhǔn)確位置中承擔(dān)了不可或缺的作用。原有的副面支撐結(jié)構(gòu)加工和裝配工藝均較為復(fù)雜，費時費力。通過三維建模軟件設(shè)計了一種加工簡單、安裝方便的副面支撐結(jié)構(gòu)，并運用有限元分析軟件，對其進行力學(xué)分析與計算。結(jié)果表明，新設(shè)計的副面支撐結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足使用需求;同時，優(yōu)化設(shè)計后的副面支撐結(jié)構(gòu)不僅在加工和裝配工藝方面較原有結(jié)構(gòu)大簡化，也減少了零部件的種類和數(shù)量。該副面支撐結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于多臺套的天線中，工作狀態(tài)良好。

關(guān)鍵詞：天線;副面支撐;有限元;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TN82文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0223-04

Optimization Design of the Supporting Structure of an Antenna Sub Reflector Based on Workbench

Su Wei

（ The 39th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xi′an 710065，China ）

Abstract：The sub reflector is an important part of theCassegrain parabolicantenna system，and thesupporting structureof thesub reflectorplays an indispensable role in fixing the accurate position of the sub reflector. The processing and assembly technology of the original supportingstructure of the sub reflector is complex and time-consuming. A kind of supporting structure with simple processing and convenient installationwas designed by using 3D modeling software，and mechanical analysis and calculation were carried out by using finite element analysis software. The results show that all indexes of the new supporting structure meet the use requirements. Meanwhile，the optimized structure processing andassembly process is greatlysimplifiedcompared with theoriginalstructure，reducing thetypeandnumber of parts. Theoptimizedsupportingstructure of the antenna sub reflector has been applied to multiple sets of antennas and works well.

Key words：antenna;supporting structure;finite element;optimization design

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，天線已廣泛應(yīng)用于通信、測控、雷達、遙感、氣象等諸多領(lǐng)域。本文中所涉及的天線為卡塞格倫拋物面天線，該類型天線具有雙反射面天線，其主反射面是旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面結(jié)構(gòu)[1]，其中副反射面位于拋物面的焦點處，因此需要對副反射面進行必要的支撐以保證主反射面、饋源和副反射面三者之間的工作關(guān)系。

天線的饋源安裝在主反射面中心位置的中心體上，中心體上加工有止口，保證了主反射面和饋源之間的位置關(guān)系，由于副反射面是懸空在主反射面的中心軸上方，因此，需要副面支撐結(jié)構(gòu)對天線的副反射面進行支撐，確保天線的主反射面、饋源和副反射面處在同一軸線上[1-3]。隨著天線主反射面口徑的增大，副反射面的尺寸和質(zhì)量也在隨之增大，為了保證副反射面工作時的穩(wěn)定性，副面支撐結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。原有副面支撐采用雙撐桿結(jié)構(gòu)、撐桿之間焊接有鋼管用以加強副面支撐，整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由多種零件焊接組成，重達100 kg 以上，加工和現(xiàn)場裝配均費時費力。針對此問題，文中設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕，并且加工和裝配均方便的副面支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但節(jié)約了材料的種類和使用量，節(jié)約了成本，同時也降低了加工和裝配時的工作強度和難度，在該天線系統(tǒng)使用的同時，可推廣至其他相近口徑天線系統(tǒng)中。

1 天線工作原理

如圖1所示，天線主要由天線座架、主反射面、副反射面、饋源、副面托盤、副面撐腿等組成。卡塞格倫天線作為雙反射面天線的一種，其工作原理和拋物面天線具有相似之處?？ㄈ駛愄炀€采用雙曲副反射面與后饋式饋源結(jié)構(gòu)，使得饋源輻射出的電磁波經(jīng)副反射面與主面兩次反射到主面口徑面上。當(dāng)饋源位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實焦點處時，由實焦點發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線，就相當(dāng)于由雙曲面的虛焦點直接發(fā)射出的射線[4-6]。因此只要是雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去，以實現(xiàn)定向發(fā)射?？ㄊ教炀€能夠很好地控制天線口徑面上的場分布。天線系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

因此，副反射面位置的穩(wěn)定性對天線的整體性能有著極其重要的作用，如圖1所示，現(xiàn)有的副面支撐結(jié)構(gòu)采用上下搭接的副反射面撐腿結(jié)構(gòu)，整個部件加工和安裝工藝都較為復(fù)雜，因此需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 天線副面支撐結(jié)構(gòu)建模

文中所涉及的天線副面支撐結(jié)構(gòu)主要包括副反射面、副面托盤、調(diào)整托盤、過渡支架和副面撐腿。整體結(jié)構(gòu)效果如圖3所示。本設(shè)計的主體思想是滿足使用需求的前提下，盡量利用現(xiàn)有模具和常規(guī)材料，減少材料的種類和數(shù)量，加大材料的利用率，簡化加工和裝配工藝的復(fù)雜性。

2. 1副反射面

副反架安裝，如圖4所示。

2.2 副面托盤

副面托盤采用多塊板料拼焊而成，材料均為Q235A，質(zhì)量25.7kg。因為四角處通過螺絲與副面撐腿相連，受力較大，采用10mm厚鋼板，其余部分采用5mm厚的鋼板焊接而成，四周一圈和中間均采用鋼板折彎后焊接的工藝，整體呈對稱結(jié)構(gòu)，大大減少了下料的種類和規(guī)格。考慮到天線主反射面的重力變形，副反射面在實際的使用過程中需要做一些微調(diào)，因此在副面托盤四周打有4個長條孔，與調(diào)整托盤上另外一個方向上的長條孔呈十字交叉形狀，保證副面在使用的過程4個方向的微調(diào)，如圖5所示。

2.3 調(diào)整托盤

為了減少材料的種類和數(shù)量，調(diào)整托盤采用整塊鋼板折彎焊接而成，材質(zhì)Q235A，厚度4mm，質(zhì)量9.8kg。工藝簡單，使用方便，橫向四周打有4個長條孔，與副面托盤上另外一個方向上的長條孔呈十字交叉形狀，保證副面在使用的過程4個方向的微調(diào)，如圖6所示。

2.4 過渡支架

為了充分利用現(xiàn)有資源，在模具不變的情況下，需要在副反射面和調(diào)整托盤支之間加一個過渡支架，為一個焊接框架結(jié)構(gòu)，采用鋼板折彎，并與一個過渡環(huán)焊接的加工工藝，工藝簡單，操作方便，材質(zhì)Q235A，厚度4mm，質(zhì)量8.1kg。四角鋼板折彎件與副反射面通過16個M8的螺栓進行固定，上方過渡環(huán)與調(diào)整托盤通過8個M8螺栓進行固定，中間為減重孔，如圖7所示。

2. 5 副面撐腿

副面撐腿采用標(biāo)準(zhǔn)型常用材料76 mm ×38 mm 橢圓形管材，兩頭焊接兩塊連接鋼板組成，兩端鋼板分別和主反射面支座與副面托盤通過螺栓固定在一起，材質(zhì)均為Q235A。如圖8所示。

3 天線副面支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

副面支撐結(jié)構(gòu)對副反射面的工作穩(wěn)定性有著不可替代的作用，從而對天線性能有很大的影響。因此，在保證副面支撐結(jié)構(gòu)安全可靠的前提之下，同時考慮零部件的加工和裝配工藝的方便性和可實現(xiàn)性。對副面支撐結(jié)構(gòu)進行有限元受力分析[9-10]。

3. 1材料選擇

根據(jù)使用要求，副反射面采用2A12硬鋁材質(zhì)，在Workbench 中Engineering DateSource 目錄下選取所需材料，2A12鋁合金的彈性模量為7. 1×1010，密度2770 kg/m3，泊松比0. 33;副反射面撐桿、副反射面托盤等結(jié)構(gòu)均采用Q235A 材質(zhì)，彈性模量為20×1010，密度7850 kg/m3，泊松比0. 30。

3. 2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到有限元分析的結(jié)果，文章第2節(jié)運用Solidworks 三維建模軟件對天線副面支撐進行模型構(gòu)建，然后將幾何模型導(dǎo)入Workbench 進行有限元分析。根據(jù)副面支撐結(jié)構(gòu)的實際使用工況，在螺栓連接的地方采用局部加密的方式保證連接點處分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[11]，網(wǎng)格采用四面體結(jié)構(gòu)。最終得到的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為314935，單元數(shù)為150293，網(wǎng)格質(zhì)量平均Skewness （畸變度）為0. 68，網(wǎng)格質(zhì)量好[12-13]，如圖9所示。

3. 3 施加約束與載荷

經(jīng)過力學(xué)分析可知，副反射面主要是通過均勻分布的4根副反射面撐腿來保證其工作位置，副反射面撐腿和天線主反射面、副反射面均通過螺栓來連接，將4根撐腿根部設(shè)置為固定約束，如圖10所示。

在Solidworks 將材料屬性賦予模型的各個零件，最終計算可得副反射面、副面撐腿以及螺栓等前端零部件總重力為637. 8 N。因為該天線為普通線動座架，工作角度為+5°～+90°，經(jīng)受力分析可知，天線在俯仰角最低的時候（+5°）時，此時副面支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力矩是最大的，在俯仰角+5°的狀態(tài)進行了受力分解。垂直、水平受到的分力應(yīng)為635. 37 N、55. 588 N。載荷施加情況和約束情況如圖11所示。

3. 4 靜力學(xué)分析

經(jīng)過有限元分析，得到副面支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果，提取等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形計算結(jié)果，如圖12～14所示。從分析云圖可知，支耳受到的最大等效應(yīng)力為24. 09 MPa，遠小于材料的屈服強度235 MPa，因此副反射面撐腿不會因材料的屈服強度產(chǎn)生破壞;最大的等效應(yīng)變?yōu)?. 00012198，副反射面撐腿變形非常小;副反射面撐腿的最大總變形為0. 34172 mm，根據(jù)該天線的工作頻率，該變形量完全可以滿足天線的使用需求，滿足設(shè)計要求[11-13]。天線新支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新的拋物面天線副面支撐結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)模型和分析計算。

（1）運用Solidworks 三維建模軟件，對天線副面支撐結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計與建模，并通過軟件對各零部件的材料屬性進行定義，計算出了各零部件的尺寸，為后續(xù)分析計算提供支撐。

（2）運用Workbench 有限元分析軟件對上述副面支撐結(jié)構(gòu)模型進行簡化、受力分析、網(wǎng)格劃分、施加約束與載荷，并對其進行了靜力學(xué)分析與計算。經(jīng)過有限元靜力學(xué)分析與計算，結(jié)果表明：優(yōu)化后的新副面支撐結(jié)構(gòu)各變形參數(shù)均滿足材料的應(yīng)力指標(biāo)和體系的使用需求。

（3）新副面支撐結(jié)構(gòu)大簡化了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在加工過程中不但節(jié)約了材料的使用量，同時減少了材料的種類，加工簡單方便;在裝配時，也大減少了工作量。本副面支撐結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于多臺套相關(guān)天線上，如圖15所示，均工作良好。

在設(shè)計優(yōu)化過程中通過理論指導(dǎo)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，運用三維建模軟件和有限元分析軟件設(shè)計出多種方案，通過各種方案的對比和試驗的方法最終驗證本設(shè)計方案的合理性。計算機仿真結(jié)果和實際使用情況均表明本次優(yōu)化設(shè)計合理可行，解決了原有結(jié)構(gòu)質(zhì)量太大，加工和裝配均不便的問題。本研究在解決工程問題的同時，也為后續(xù)相關(guān)研究提供一定參考。

參考文獻：

[1]馮濤. 極化扭轉(zhuǎn)卡塞格倫天線研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[2] Yan Q，Yang H，Ping J，et al. Research for propagation propertiesof LG beam throughCassegrain antenna system in a turbulentatmosphere [ J ]. Optics express，2020，28（10）：14436-14447.

[3]陳云. 高性能反射面天線分析與設(shè)計[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[4]許謙，王從思，易樂天. 基于應(yīng)變的變形副反射面位姿形貌快速重構(gòu)方法[J]. 天文學(xué)報，2020，61（5）：8.

[5]韓曉童，王曉凱，邢永濤，等. 面向卡塞格倫傘狀天線的主副反射面同步展開機構(gòu)設(shè)計及分析[J]. 上海航天（中英文），2020，37（5）：10-18.

[6]孫瑞峰，朱士琦，劉蘭波，等. 雙反射面天線裝配過程中同軸度誤差分析[J]. 航天制造技術(shù)，2020（5）：4.

[7]潘紅兵. 拋物面天線反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路[J]. 現(xiàn)代機械，2013（1）：61-62.

[8]韓延寧. PRO/E 軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J ]. 艦船電子對抗，2009，32（3）：118-120.

[9] Bin-Bin，Xiang，Cong-Si，et al. Optimal subreflector position determination of shapeddual-reflector antennasbasedonthe parameters iterationapproach [ J ]. ResearchinAstronomy & Astrophysics，2019（4）：62.

[10]肖飛. ANSYS 軟件在拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[ J ]. 科技與創(chuàng)新，2015（17）：98-99.

[11]蘇偉，董繼先，樊聯(lián)哲. 基于Workbench 的顎式破碎機肘板結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析[J ]. 2014，36（16）：112-115.

[12]李先鋒，楊建偉，賈志絢. 基于Workbench 車輛減振器彈簧盤的疲勞分析[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2012，28（2）：50-55.

[13]蘇偉，趙棟，李博，等. 基于Workbench 的船載“動中通”天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù)，2018，47（5）：81-83.

第一作者簡介：蘇偉（1988-），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析，已發(fā)表論文10余篇。

（編輯：刁少華）