一種大型桁架衛星通信天線座架的優化設計

米月英

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

桁架式天線是指天線座架［1］為桁架的天線，結構簡單，加工成本低，但是精度較低，剛度較差。隨著衛星通信的發展，為了降低成本，桁架天線越來越多被采用，由于大型天線［2］口徑大，波瓣窄，對天線座架結構要求更高，需要采用復雜的桁架結構和繁瑣的調整軸系，而且大型桁架天線在大風等情況下易出現不穩定現象，也就是座架結構系統剛性差，間隙大，天線定位不準問題。為了較好地解決該問題，在天線座架結構設計中重點考慮了各結構件實際工作環境下的剛度強度問題和精度問題，對大型桁架天線座架關鍵部位的結構件的結構進行了優化設計和穩定精度保證設計。

在天線結構整體設計階段，采用了Pro/E三維設計軟件進行結構設計，利用仿真軟件MSC．Patran/Nastran對天線結構進行結構力學分析和仿真，加強和優化主結構件關鍵部位。根據仿真和實驗結果以及實際使用效果顯示，天線的結構特性均優于技術指標和使用要求。下面以13 m桁架天線為例，介紹解決這個問題的過程。

1 影響天線指向穩定精度的因素

據系統要求，天線系統在任意工作條件下要實現準確的手動/自動跟蹤衛星功能。為此天線座結構應具有足夠的剛度、強度［3］和傳動精度，才能保證天線指向的穩定性，從而才能保證整個伺服系統的穩定性和動態響應。

影響天線指向精度的因素主要有溫差、風載荷、軸系精度、傳動精度和同步系統的聯接精度。

在上述幾個精度指標中，最難以解決的是以風載荷和溫差引起的天線位移，天線在工作時，由于天線本身自重原因，俯仰方向受風力影響較小，方位方向受風力影響較大，特別是在天線側吹的情況下最為嚴重。

如何在最大限度減輕天線重量的前提下，能夠排除和降低在工作環境下對天線產生的不利影響，保證其可靠工作的天線結構至關重要。

2 座架結構設計與優化

技術指標要求:60°C溫差和工作風速18 m/s下保精度［4］;風速25 m/s降精度;天線穩定精度為0.08°和相心變化為10 mm;風速40 m/s(天線任意位置)和56 m/s天線朝天收藏狀態不破壞。

為了能夠使大型桁架天線座架滿足高穩定使用要求和最大限度的降低成本，對已有的天線座架進行了大量的優化工作，優化后的天線結構如圖1所示。

圖1 優化后的天線結構

2.1 主座架結構的優化與設計

原有仿制進口的座架采用桁架式方位－俯仰型結構(如圖2所示)，方位驅動安裝在上部，需要座架采用強壯的5根直徑140 mm桿件支撐，這樣才能保證方位驅動裝置穩定和保證天線在方位方向的穩定性;俯仰驅動安裝在圓筒上，需要圓筒承受俯仰所有的力，座架結構龐大，重量達到26 000 Kg，但是效果卻不理想，常常由于大風產生晃動，且方位驅動在維護時需要在高空作業。針對以上問題，對座架進行了優化設計，選用同等鋼材Q235，優化后天線座架重量為16 000 Kg，方位穩定精度為0.055°。

圖2 仿制進口的天線結構

2.1.1 主座架結構形式改變

方位驅動放置從上部放置到下方，把方位驅動裝置通過驅動支座與地基相連接，方位方向上的力全部由地基承受，只需在地基上安裝相應的地腳螺栓就能夠滿足要求。這樣后支桿僅承受俯仰方向上的力，完全沒有必要采用五根支撐桿，在保證方位轉動方位的情況下，改為了3根桿件。俯仰驅動位置由圓筒處改為了后置安裝，使圓筒僅承受方位方向的扭轉力矩，如圖3所示。

圖3 主座架優化

2.1.2 主座架底座變小

在滿足天線方位轉動范圍和驅動轉動范圍的情況下，根據天線所承受的風力矩和風載荷確定后支桿底座的大小。

風力矩和風載荷可按下式計算:

式(1)和式(2)中:CM為風力矩系數;CF為風力系數;q為動壓;A為天線面積。

底座三角形大小由底邊長和高均為6.2 m經過結構優化變為底邊長5.4 m和高為3.8 m(是原來大小的1/2)，在溫差和風載荷的影響下，由于桿件長度變短和合理布局，后支桿為三根桿座架穩定精度優于五根較大的后桁架座架(座架用的桿件直徑均相同)，使得簡易的三桿結構滿足了高精度的定位要求。

2.1.3 圓筒直徑變粗

由于方位扭矩較大，為了提高方位扭轉剛度，圓筒直徑由原仿制圓筒直徑900 mm，增加為1 060 mm，壁厚均為16 mm。經過公式:

式中:θ為扭轉角;M為扭矩;L為主筒長;J為扭轉慣性矩;D為圓筒外徑;d為圓筒內徑。方位扭轉角度誤差由0.076°減小為0.055°。

2.2 軸系精度

座架為方位軸和俯仰軸，軸系精度分方位和俯仰軸系精度，軸系精度除間隙引起的間隙誤差在天線安裝和設計過程中可以通過調整等措施避免，其它誤差同軸和垂直造成的誤差一般均為固定誤差，由于結構的龐大，很難達達到很高精度。

固定誤差過大對座架的長期使用會造成不良影響，會產生轉動不靈活造成伺服無法跟蹤及出現異常噪音和磨損不均勻。因此要求固定誤差方位軸與地基安裝天線平面的垂直度誤差［5，6］小于 20″;方位軸和俯仰軸垂直度誤差小于30″;天線由0°至90°時的俯仰絲杠運動軸線垂直于俯仰軸，其不垂直度不大于20″。由于結構龐大，使固定誤差變小是技術上的一個難點。

以前均采用分體結構設計，軸座安裝后靠人工調整達到設計要求，調整不僅浪費大量時間，加工成本高，而且安裝精度也不宜保證，調整完成后，即使打銷定位，也隨著長期使用個別天線軸座會產生定位變化，誤差增大，天線會在使用過程中，轉動電機電流過大，天線轉動不靈活，出現噪音和抖動，由于結構龐大維修調整非常困難，常常需要停機天線，仰天收藏后重新調整。經過優化設計，適當降低上方位軸和簡化優化俯仰軸座，使得方位軸座和俯仰軸座與主筒一體化設計，一次成型加工，靠加工保證了同軸度精度和垂直度。安裝后無需調整，即能夠達到比調整要高的精度，經過長期使用，不會產生支座位移。

方位軸和俯仰軸的軸系精度的保證與優化設計優化如圖4所示。

圖4 軸系設計優化過程

2.3 同步裝置的連接精度設計

同步裝置采用無回差波紋管聯軸節設計如圖5所示，波紋管聯軸節保證無回差連接，且對連接兩軸的同軸精度要求僅為0.1 mm，就能滿足要求。波紋管聯軸節即能夠保證無回差連接，又使得安裝和調整方便。

圖5 同步裝置無回差連接

2.4 驅動裝置的高精度設計

驅動系統采用高精度的平面二次包絡面蝸桿副和可調的高精度絲杠傳動結構如圖6所示。［3］絲杠和螺母采用了高精度的制造，絲杠的總誤差不大于0.08 mm，對于特殊使用間隙可以調整為0.02 mm，方位轉動支臂約為1 300 mm造成方位轉角誤差為0.000 9°，全程使用可調整間隙為0.09 mm，造成方位轉角誤差為0.004°。由于間隙微小，可以采用式(5)計算:

式中:L為轉動支臂長;H為間隙;δ為轉角誤差。

圖6 驅動裝置高精度設計

3 天線結構的力學分析

由于天線的結構很復雜，很難用解析的方法得到其解析解，因此采用專業有限元分析軟件MSC．PATRAN/NASTRAN進行力學分析和仿真。

3.1 有限元模型的建立和分析

此天線系統由天線和座架兩大部分組成:天線結構部分主要由主反射面、副反射面、反射體骨架、副反射面支撐裝置和饋源套筒等組成;天線座架結構部分主要由主座架、方位和俯仰驅動組合組成。

由天線系統的結構形式，并根據其工作的實際情況，建立了其力學分析 模 型［7－9］如 圖 7所示。

為降低軟件的計算量和復雜度，先對天線整體結構進行簡化，去掉冗余節點，再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網格，最后將劃分好的網格進行組裝，進行分析計算。天線所受的載荷，主要包括天線的自重、風載荷和溫差。

根據工作需要，方位轉動范圍為180°，俯仰為90°。在此工作范圍，計算天線在18 m/s風速、25 m/s風速、40 m/s風速、56 m/s風速和 60°C 溫差的受力情況，經過對各個特殊工作角度的計算，找出了天線仰角45°和方位185°工作位置，背吹天線應力最大，側吹變形最大。

圖7 工作狀態有限元模型

3.2 分析計算結果

3.2.1 有限元靜力分析結果

有限元靜力分析結果如表1所示。

表1 靜力學分析計算結果

從表1中可以看到如下數據:鋼材的許用應力為235 Mpa，通過計算此天線系統的最大應力為180 Mpa完全滿足技術要求。在工作風載荷影響和傳動共同影響下，最大轉角誤差為0.055°。小于允許的指向誤差0.08°。在工作風速下相心變化小于10 mm。

3.2.2 動力分析及計算

在進行天線結構諧振頻率［10］有限元仿真分析時，由于受條件限制，分析中僅包含了天線反射體、俯仰部分、方位部分，而各部分的動力驅動系統(減速機及電機)沒有參與計算分析，因此計算結果為天線和座架結構支撐部分的結構諧振頻率。而實際測試時包含了驅動系統(減速機、電機)，因此實測結果要比有限元仿真分析的結果低。

天線結構的諧振頻率(包含驅動系統)與減速機的扭轉剛度和轉動部分的轉動慣量有關，天線結構諧振頻率［1］的計算式:

式中:f為天線結構諧振頻率;k為負載軸扭轉剛度;J為轉動慣量。

經三維模型計算天線結構轉動慣量J=155 124 kg·m2，所選用的減速機扭轉剛度折算到負載軸k=4.06×107N·m/rad。將天線反射體的轉動慣量J和減速機的扭轉剛度k代入，計算后得出結構諧振頻率f=2．57 Hz。滿足使用要求。

3.3 實際使用效果驗證

該桁架天線已經實際安裝的有20余套，遍布國內外，均使用超過5年以上，經歷了包括臺風、地震和冰雪災害在內的各種惡劣天氣考驗，均完全滿足使用要求，未出現由于設計原因造成的傳輸誤碼和信號不穩現象。主座架經優化過的關鍵部件未出現以往相似工程中出現的剛度、強度不足的問題;軸系結構的高精度設計不僅安裝方便快捷，而且連接穩定可靠;驅動裝置和同步裝置的高精度設計，使得傳輸信號準確也起到了保障作用。

4 結束語

13 m桁架天線的設計針對桁架天線的工作模式和環境特點進行了較為深入的研究，找出了結構設計過程中需要增強或優化的多個關鍵點，驗證了天線結構的力學性能完全滿足設計要求。在天線結構的設計與優化過程中，采用專業軟件，較好地解決了天線結構重量、強度和剛度的優化設計，高精度軸系設計，同步連軸設計和驅動裝置高精度等主要問題，保證了天線系統精度較高，結構性能良好等指標，從五年來實際使用過程中的具體通信效果來看，結構各項性能指標均完全滿足系統要求。

由于國內的大型桁架衛星通信天線用途越來越廣，13 m桁架天線的研究結果對類似的桁架通信天線的研發可以提供相應的技術參考和借鑒。需要指出的是，各種桁架天線擁有各自不同的特性，相應的對天線結構的要求也有所不同，建議今后對不同的桁架天線，應進一步增加針對性的設計工作。

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