韓貴梅,盧興明,武織才

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

在衛(wèi)星通信、深空探測、光學(xué)遙感及導(dǎo)航定位等領(lǐng)域，天線起著重要的作用，其中天線結(jié)構(gòu)是天線功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文所述天線為某無線電偵測系統(tǒng)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮偵測天線的機動性、可靠性、安全性、工藝性及環(huán)境適應(yīng)性。為適應(yīng)偵測頻段的需求，天線的面形精度要求高?？紤]到運輸和架設(shè)的易操作性，天線最大結(jié)構(gòu)件體積不能超過5.4m方艙運輸車輛的空間限制，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊設(shè)計。另外，天線的自重會影響天線結(jié)構(gòu)的面型精度和指向精度，因此在設(shè)計過程中結(jié)合有限元方法，以驗證設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)滿足指標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

與傳統(tǒng)天線相比，拋物面?zhèn)蓽y天線由1套5.4m拋物面天線、1套3m拋物面天線、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和4套匿影饋源等四部分組成。其中，3m拋物面天線和匿影饋源用于實現(xiàn)5.4m天線波束副瓣匿影功能。設(shè)計時主要考慮以下條件。

工作風(fēng)速：25m/s；天線方位角度范圍：0～360°；俯仰可調(diào)角度方位：-90～+3°；方位角速度：0°/s ～6°/s ； 方位最大角加速度≥1.2°/s2；系統(tǒng)總重量<4.5t；第一旁瓣：≤-14dB。

匿影要求：增設(shè)輔助匿影天線，實現(xiàn)反射面天線在方位360°范圍內(nèi)和波束副瓣匿影功能。

1.1 天線反射器設(shè)計

天線反射器組合是由一個5.4m天線反射器、一個3m天線反射器和4套匿影饋源組成。5.4m天線反射器作為主反射器結(jié)構(gòu)與座架連接，3m天線反射器通過高剛度背架固定在5.4m天線頂端，與主反射器波束方向一致。

1.1.1 5.4m天線反射體設(shè)計

5.4m天線反射器結(jié)構(gòu)主要由主反射面、饋源支架、饋源支撐桿組成。為實現(xiàn)天線的快速安裝，將天線的主反射面異型分割為中間與兩側(cè)三部分。

為提高天線反射面的精度，減輕重量，面板和背筋采用一體成型，面板和背架都采用碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，二者在模具上膠粘成型。成型時分別預(yù)埋金屬連接件，與饋源支撐桿、座架相連接。側(cè)面板與中面板采用10組高精度定位錐連接，定位錐通過預(yù)埋工裝在模具上精準(zhǔn)定位，整體面板拼裝精度≤0.35mm。

其中，5.4m天線中反射面寬度為2m，在反射面背部布置弧形的腹板梁作為天線背架。天線背架由兩道主要承力的箱型橫梁與多個橫、斜腹板組成，所有筋梁沿天線的自身曲線貼合整體焊接而成。3m天線連接支耳設(shè)計在承力箱型梁頂端，實現(xiàn)了3m天線支撐力的有效傳遞。為減輕重量，側(cè)反射面的面板和背架采用一體成型設(shè)計，保證面板具有良好的面型精度[1]。面板和背架都采用碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，二者在模具上膠粘成型。背架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5.4m天線反射體骨架結(jié)構(gòu)

1.1.2 3m天線設(shè)計

3m天線結(jié)構(gòu)分為天線面、饋源支架和天線支架三部分，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 3m天線反射體結(jié)構(gòu)

天線反射面采用碳纖維復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)采用蜂窩夾層形式，整體成型，保證具有良好的面型精度。面板直徑3m，反射面表面要求進(jìn)行噴鋁金屬化處理，面板精度≤0.2mm。

饋源支架是一個獨立的結(jié)構(gòu)，用于支撐饋源網(wǎng)絡(luò)，饋源支架由4根支桿和一個定位安裝支架組成。天線支架由底板、方管和天線連接法蘭焊接后數(shù)控加工成型，底板與5.4m天線背架連接。

1.2 伺服轉(zhuǎn)臺

伺服轉(zhuǎn)臺是用于支撐天線并完成方位、俯仰運動的系統(tǒng)。伺服轉(zhuǎn)臺選用方位—俯仰轉(zhuǎn)臺式座架[2]。包括方位轉(zhuǎn)臺、方位驅(qū)動、俯仰支架、俯仰驅(qū)動、方位和俯仰同步等。其特點是方位軸采用大轉(zhuǎn)盤形式，可以0～360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰驅(qū)動系統(tǒng)置于方位轉(zhuǎn)盤上，采用絲杠結(jié)構(gòu)，運動范圍為-3°～90°。其優(yōu)點是運動相對獨立，承載能力大，結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，穩(wěn)定性好，有足夠的強度和剛度，便于工作、收藏、運輸?shù)取Ｋ欧D(zhuǎn)臺示意圖見圖3。

圖3 天線座架結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元分析

本研究天線結(jié)構(gòu)的有限元建模及分析工作均在MSC有限元軟件中完成。建模過程中對CAD模型的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了簡化，考慮到模型的模擬精度和計算速度，中反射面板接頭部分采用六面體單元，反射面和天線背架加筋采用殼單元[3]，天線結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

圖4 天線有限元模型

2.1 工況

天線在工作環(huán)境中所受的載荷類型較多，主要包括自重載荷、風(fēng)載荷和溫度載荷等。參照該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)要求及天線實際工作狀態(tài)，考慮天線的載荷包括自重載荷和風(fēng)載荷。其中風(fēng)載荷分為：

天線工作風(fēng)速：20m/s；風(fēng)向：正吹、側(cè)吹、背吹。

天線收藏風(fēng)速：25m/s；風(fēng)向：正吹、側(cè)吹。

2.2 分析結(jié)果

對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計算，分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和靜力學(xué)分析。天線固有頻率、工作環(huán)境下最大位移、指向精度、收藏狀態(tài)下最大應(yīng)力分別見表1、表2。

表1 天線固有頻率

表2 工作環(huán)境下最大位移、指向精度

5.4m天線在重力和風(fēng)載荷下，天線系統(tǒng)的最大應(yīng)力為44.1MPa，小于材料屈服應(yīng)力，天線不會產(chǎn)生永久變形。工作狀態(tài)下指向精度最大0.05°，滿足指標(biāo)要求。天線和座架安全可靠，各部件的最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力，能滿足技術(shù)指標(biāo)中抗風(fēng)性能的要求。

2.3 測試驗證

圖5和圖6給出了電氣方向圖實測結(jié)果，滿足第一旁瓣≤-14dB和副瓣匿影功能的要求，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。

圖5 5.4m天線輻射方向圖

圖6 5.4m天線匿影輻射方向圖

3 結(jié)束語

對5.4m天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了介紹，通過MSC有限元分析和電氣實測，并結(jié)合實際應(yīng)用效果，本天線完全滿足指標(biāo)需求，該設(shè)計是可行的，為后續(xù)類似的產(chǎn)品設(shè)計提供了可靠的經(jīng)驗。