一種超低副瓣雙彎曲反射面天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李紅梅，張 曄，錢建國

(南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210038)

雷達(dá)對目標(biāo)的探測是依靠無線電波來進(jìn)行的，而無線電波的發(fā)射和接收則是依靠天線來完成的。副瓣是天線的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，較低的副瓣可以提高信噪比，降低主波束以外雜波信號的影響，獲得好的測定目標(biāo)的方向性，有效提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力[1-2]。

反射面天線副瓣越低，相應(yīng)地對反射面精度的要求越高，反射面均方根誤差的允許值越小。天線副瓣的最大值降得越低，它對天線反射面均方根誤差的依賴性就越緊密[3]。某雷達(dá)天線副瓣要求<-38 dB，屬于超低副瓣天線，天線反射面均方根誤差的允許值較小。本文針對超低副瓣雙彎曲反射面天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

1 反射面天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

天線為雙彎曲反射面天線，主要由反射體(天線骨架、反射面)、饋源、天線支架和饋源支架等組成(見圖1)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)要求

該天線主要性能指標(biāo)要求如下：1)天線在豎式狀態(tài)下測試，反射面均方根誤差≤0.6 mm；2)風(fēng)速≤20.7 m/s，天線轉(zhuǎn)速為6 r/min時，天線正常工作；3)風(fēng)速≤24.4 m/s時，天線站立狀態(tài)不破壞；4)風(fēng)速≤35 m/s時，天線倒伏70°不破壞。

該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是保證天線具有足夠的剛強(qiáng)度，在相應(yīng)載荷條件下正常工作或不破壞，滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，同時滿足天線反射面的精度要求。與同類型天線類比可知，因該天線口徑較大，反射面為曲率較大的雙彎曲反射面(從圖1可看出，反射面兩側(cè)下部明顯的翹曲)，反射面均方根誤差允許值較小，因此如何保證天線反射面精度是該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹反射體的設(shè)計(jì)內(nèi)容，天線支架和饋源支架均采用空間桁架結(jié)構(gòu)，剛強(qiáng)度性能通過有限元分析的結(jié)果來驗(yàn)證。

1.3 反射體設(shè)計(jì)

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反射體由天線骨架和反射面組成，反射面由面板、垂直筋板和水平筋板組成。反射體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與其成型方法密切相關(guān)。結(jié)合待設(shè)計(jì)天線的尺寸、曲率變化等參數(shù)和精度要求，確定反射體的成型采用三坐標(biāo)測量儀測量法。

三坐標(biāo)測量儀測量法的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1)反射體的成型在豎式狀態(tài)下進(jìn)行，與天線工作狀態(tài)完全一致，可有效消除整個天線在重力作用下產(chǎn)生的變形；2)通過三坐標(biāo)測量儀對筋板工作狀態(tài)下測量缺口的坐標(biāo)監(jiān)測實(shí)施反射體成型的過程控制，從而使反射體成型后的最終精度指標(biāo)得到可靠保證。三坐標(biāo)測量儀測量法的主要缺點(diǎn)是反射面的成型采用的是多個小平面組合形成大曲面的逼近法，對于曲率大的曲面誤差相對較大。

為了得到高精度天線，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)有針對性地對零件尺寸及形狀、零件間的連接定位、零件間的連接方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小由成型方法帶來的誤差。應(yīng)避免采用配焊的連接方式，以消除由于焊接變形帶來的誤差。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

1)反射面。反射面面板采用人字形沖孔鋁板，根據(jù)天線的頻段對人字形孔的尺寸及間距進(jìn)行調(diào)整，因反射體左右兩側(cè)邊緣處反射面曲率較大，應(yīng)將沖孔鋁板進(jìn)行預(yù)成型，使其具有一定的曲率。垂直筋板的截面均為L形，與反射面以曲面貼合，采用數(shù)控加工方法成型，垂直筋板上預(yù)留測量缺口。水平筋板的截面均為L形和一字形，面板拼接處為L形，其余均為一字形。垂直筋板的間距和水平筋板的間距不需很大，只要保證操作空間即可。連接垂直筋板和水平筋板的彎角件采用角鋁加工成形，垂直筋板和彎角件上加工相互對應(yīng)的定位孔，在垂直筋板位置確定后，水平筋板的X方向﹙坐標(biāo)系如圖1所示﹚位置通過彎角件即可準(zhǔn)確定位。水平筋板的Z方向位置通過垂直筋板和水平筋板上設(shè)置的相對應(yīng)的定位面實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。垂直筋板與面板通過沉頭螺釘聯(lián)接，水平筋板與面板通過彈簧鉤接。

2)天線骨架。天線骨架為空間桁架結(jié)構(gòu)。早期產(chǎn)品天線各塊骨架間的連接、骨架和反射面間的連接采取配焊方式，隨著焊接應(yīng)力的釋放，配焊部位會產(chǎn)生變形從而導(dǎo)致反射面發(fā)生變形，破壞已成型的反射體的精度。配焊部位受空間條件限制不能噴砂，只能采取手工打磨方式作為油漆涂覆前的表面處理方法。手工打磨不易控制，無法做到徹底清理和粗化焊縫表面，會影響油漆與金屬間的接合力，從而降低油漆的防護(hù)效果；因此，在新的設(shè)計(jì)方案中，天線各塊骨架間的連接、骨架和反射面間的連接均采取焊接并消除焊接應(yīng)力后機(jī)械加工安裝面的方式，焊接應(yīng)力消除后不會再引起反射面變形，反射體總成前焊接部位可進(jìn)行噴砂處理，避免了配焊對反射體精度和防護(hù)帶來的不良影響。天線骨架上加工后的安裝面位置精度高，安裝連接板后可直接作為垂直筋板的基準(zhǔn)面，節(jié)省了大量的總成工裝零件。

1.3.2 防腐設(shè)計(jì)

組成反射面的面板、垂直筋板、水平筋板和彎角件均為鋁件，各零件間的連接主要采用鉚接、螺接的方式，局部區(qū)域采用氬弧焊點(diǎn)焊的方式。反射面中的各零件采取硫酸陽極氧化后鉻酸鹽封閉(點(diǎn)焊區(qū)域采取措施保護(hù))，最后涂底漆和面漆的涂覆方式。

天線骨架、天線支架和饋源支架均為封閉的焊接結(jié)構(gòu)件，焊接完成后對每塊支(骨)架充氣進(jìn)行氣密性檢查，以保證焊縫的致密性，防止支(骨)架產(chǎn)生呼吸效應(yīng)和由內(nèi)到外的腐蝕。天線骨架中塊和天線支架為鋼件，采取先噴砂，然后熱噴鋁，最后涂底漆和面漆的涂覆方式。天線骨架的其余各塊和饋源支架為鋁件，受氧化槽尺寸限制無法進(jìn)行陽極氧化，采取噴砂后涂底漆和面漆的涂覆方式。

中間骨架和天線支架部分的材料為鋼，其余部分的材料為鋁，為了盡可能地避免不同材料間的接觸引起的電化學(xué)腐蝕，對使用過程中會暴露在外的不同材料的接觸部位使用螺接的套筒或接頭，便于鍍鋅鎳合金或陽極氧化，對不直接暴露在外的不同材料的接觸部位可在縫隙處涂密封膠阻止與外界空氣的接觸。

2 有限元分析

為了保證天線在設(shè)計(jì)要求的各種載荷條件下正常工作或不破壞，支承天線反射面的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的剛強(qiáng)度。應(yīng)用NX UG軟件對結(jié)構(gòu)建立有限元模型、進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度性能的有效手段。

2.1 建模

反射面面板、垂直筋板和水平筋板用2D-shell單元模擬，饋源支架、天線支架和天線骨架中的管都用相應(yīng)截面的1D單元模擬，天線骨架間的連接、反射面和天線骨架間的連接也采用1D梁單元模擬。饋源安裝點(diǎn)施加55 kg的集中質(zhì)量。

最終的有限元模型包含的節(jié)點(diǎn)和各種單元的數(shù)量如下：節(jié)點(diǎn)數(shù)9 998個，集中質(zhì)量單元5個，1D剛性單元4個，1D梁單元739個，2D四邊形單元9 143個，2D三角形單元1 710個。

天線支架上2個支耳中心點(diǎn)和絲桿根部的節(jié)點(diǎn)上都約束了3個方向的位移和2個方向的旋轉(zhuǎn)，X向的旋轉(zhuǎn)未約束。天線中間骨架和天線支架之間采用法蘭連接，將同一位置的2個節(jié)點(diǎn)6個方向的自由度全部耦合。饋源支架和天線支架之間采用帶螺紋的銷軸聯(lián)接，將同一位置的2個節(jié)點(diǎn)6個方向的自由度全部耦合。天線有限元模型示意圖如圖2所示。

圖2 天線有限元模型示意圖

2.2 工況

靜態(tài)分析需要進(jìn)行4種工況下的計(jì)算。風(fēng)載荷的計(jì)算公式為：F=CFAq[4]，均勻分布在反射面的所有節(jié)點(diǎn)上。轉(zhuǎn)速和重力加速度加在整個天線上。4種工況如下：1)重力加速度9.8 m/s2(垂直狀態(tài)，無風(fēng)，僅受重力作用)；2)Z向風(fēng)載荷±18 203.4 N，繞Y軸的角速度為0.628 rad/s，角加速度為0.025 rad/s2，重力加速度為9.8 m/s2(20.7 m/s的風(fēng)載荷，6 r/min時的離心力和重力同時作用)；3)Z向風(fēng)載荷±25 370.3 N，重力加速度9.8 m/s2(24.4 m/s的風(fēng)載荷和重力同時作用)；4)風(fēng)載荷±14 326.2 N，重力加速度9.8 m/s2(倒伏70°時，35 m/s的風(fēng)載荷和重力同時作用)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

在工況1的條件下，天線反射面上端的左右兩側(cè)和饋源支架頂端都是變形較大處，分別為4.42和4.26 mm，根據(jù)變形值在饋源、骨架和筋板連接的設(shè)計(jì)時可預(yù)留相應(yīng)的調(diào)整量，在豎式總成時消除此變形。在工況2～工況4的條件下，風(fēng)速為24.4 m/s，+Z方向時天線支架，中間骨架上最大應(yīng)力分別為190.6和182.9 MPa，理論計(jì)算安全系數(shù)分別為1.81和1.89，是整個天線安全系數(shù)值較小處。工程設(shè)計(jì)時會對這些部位局部加固，實(shí)際安全系數(shù)會大于理論計(jì)算值。最終結(jié)果，天線強(qiáng)度滿足靜載荷作用下，對塑性材料安全系數(shù)取值≥1.6的要求[5-6]。

3 結(jié)語

該天線在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了成熟的反射面成形方法，結(jié)合自身特點(diǎn)有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，制定出了合理的設(shè)計(jì)方案，并通過有限元分析軟件對剛強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算。生產(chǎn)過程中嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要求，把控各道工序質(zhì)量，最終豎式狀態(tài)下反射面均方根誤差實(shí)測值為0.6 mm，天線遠(yuǎn)場測試副瓣實(shí)測值<-38 dB，均滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。天線已架設(shè)在海拔約為1 000 m的沿海山頂，經(jīng)過風(fēng)霜雨雪的考驗(yàn)，剛強(qiáng)度性能也完全滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求。