天線結構型式對雷達整機性能提升的方案探討

李 成 丁 飛

(安徽四創電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

1887年著名物理學家赫茲為驗證數學家麥克斯韋預言的電磁波設計了第一個天線。之后，隨著對遠洋通信、天地通信、空天通信等迫切需求以及無線電電子學科快速發展，天線的設計方法及應用領域不斷拓寬。歷經百年的發展與演變，天線已是無線電通信、廣播、導航、雷達、遙測測控等各類無線電通信系統中不可或缺的設備。

尤其在雷達領域，雷達的結構設計和制造工藝是雷達研制過程中的重要環節，它對保證雷達的優良性能起著重要的作用。精巧的結構設計是雷達性能和質量的重要保證[1]。天線作為空間能量轉換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統。由于天線的型式與種類繁多，天線的用途、工作狀態、型式和尺寸也不相同，對其要求也各不相同。

1 雷達對天線的要求及技術指標

1.1 雷達對天線的要求

在雷達領域，天線作為空間能量轉換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統。由于其用途、工作狀態、應用環境和場合的不同，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的的要求

天線應滿足雷達整機的戰術和技術要求的各項電性能指標。這些指標決定了天線的型式與尺寸大小。根據雷達的用途不同，天線的工作狀態分為固定式和運動式等兩種。

2)天線結構機械性能的要求

①天線在各種載荷作用下，應具有足夠的強度，保證不發生破壞；

②天線在工作時，應具有足夠的剛度，即在各種載荷作用下，結構變形應限制在允許的范圍內；

③結構重量要輕。重量與強度或剛度的要求往往是矛盾的，因此選擇材料和結構型式應力求先進，如采用薄壁結構、桁架結構以及強度大而重量輕的材料等。

④結構所受的風阻力盡量小。

3)天線結構可靠性及制造工藝的要求

天線應能適應各種環境條件與戰爭條件，應能防腐蝕、耐熱、耐低溫等。先進的制造工藝支撐著雷達技術的發展，是雷達技術發展的有效保證。

1.2 二次雷達對天線的要求及技術指標

二次雷達具有作用距離遠及較好的方位精度。同時由其機場區域飛機密度大，為保證航管的可靠性，則要求二次雷達具有較高的數據率，即應有較高的天線轉速和重復頻率。為實現二次雷達的各項關鍵指標，一般采用全波振子為基本單元的和差天線陣[3]。在水平面內要求強方向性，就要求天線陣在水平面內排列的單元多，尺寸大；在鉛垂面內要求足夠的覆蓋角度，則要求天線陣在垂直面內尺寸小。故二次雷達天線陣采用大垂直孔徑天線[4](其天線結構總體見圖1所示)。但由于該類天線通常轉速快且自身慣量大，僅僅由于本身重量引起的變形就可能超出精度要求，面對機場環境，同時還需具備高抗風能力和高防護性能等特性，因此，在結構設計中引入力學仿真和優化設計十分必要。

依據二次雷達對天線的要求，天線的設計指標如下：

1)天線型式：柵欄式陣面天線結構；

2)天線口徑(長×寬)：7900mm×1700mm；

①室外工作：360°方位旋轉工作；

②抗風能力： 工作風速≤45m/s；

3)天線陣面精度：σ<0.68mm(均方差)；

4)在最大工作載荷(風速45m/s)下天線結構的不發生塑性變形，天線結構各部分均不產生強度失效，強度校核安全系數不小于1.3[5]。

1.3 天線結構材料的選擇

按照工程經驗，當結構剛度滿足要求時，結構強度基本上能夠滿足要求。經過綜合比較并結合實際應用，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、俯仰機構采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

表1 材料力學性能

1.4 天線風載荷計算

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載荷。整機系統要求在45m/s風速下天線能正常工作不發生塑性變形。由風力計算公式[2]：

(1)

式(1)中，F為風阻力；v為風速；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為水平風阻力系數，不同風向角時的水平風阻力系數見表2。

表2 風向角與水平風阻力系數對應表

風向角(°)CF風向角(°)CF風向角(°)CF00.328750.291500.47150.34900.311650.41300.41050.3481800.399450.421200.438600.3831350.48

由表2可知，風向角為135°時，水平風阻系數最大為0.48，與此相應的風阻力也最大。根據天線迎風面特征面積A和風阻系數CF，由風力計算公式計算出天線結構在45m/s風速下的負載為8.5kN。其天線風載方向示意圖見圖2。

圖2 雷達天線風載方向示意圖

2 A方案：框架鉚接天線的力學分析

2.1 框架鉚接天線的結構型式

本方案采用空間桁架鉚接骨架箱體結構。根據該方案天線結構按照力學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部饋電網絡；天線箱體下方是由天線支架、支耳、俯仰機構等單元組成的整個天線支撐結構。該方案天線箱體內部結構示意如圖3所示。

圖3 A方案天線箱體內部結構示意圖

2.2 力學分析

1)天線自重

在考慮結構自重影響的工況下，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(質量M=440kg)

(2)

2)仿真分析計算結果

根據二次監視雷達技術規范及技術條件要求，當風速≤45m/s時，應保證二次天線正常工作，因此主要計算天線結構的強度應力數值，計算結果如圖4至圖6所示，天線結構鋁合金位置的最大應力109.9MPa，天線結構不銹鋼位置的最大應力197MPa。

圖4 A方案天線箱體45m/s風速下骨應力分布

圖5 A方案天線結構鋁合金位置應力云圖

圖6 A方案天線結構不銹鋼位置應力云圖

通過計算天線陣面的均方差數值，如圖7所示，在天線陣面上均勻選取105個點的變形數值，求得隨機誤差及平均誤差，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(風速45m/s)

式(3)中：si為隨機誤差；s0為平均誤差；n取值數。

通過以上力學仿真分析，可以得出天線陣面精度計算結果及結論(見表3)及天線強度計算結果及結論(見表4)。

表3 天線陣面精度計算結果及結論

計算工況最大變形計算結果(均方差)指標要求(均方差)結論風速45m/s5.79mm0.4653<0.68滿足精度指標要求

表4 天線強度計算結果及結論

計算工況天線材料屈服強度(MPa)最大應力(MPa)安全系數結論風速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構形式設計。其產品加工技術成熟，但其零部件過多，導致加工周期長，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分析

3.1 整體焊接天線的結構型式

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。攪拌摩擦焊這種連接技術與傳統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鍵的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，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。該技術的優越性：沒有氣孔出現的可能性；在焊接鋁合金時不會產生與熔化焊有關的焊接缺陷，也不會降低焊接接頭的性能；焊后變形小、殘余應力??；焊接成本低、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。該方案天線箱體內部結構示意如圖8所示。

圖8 B方案天線箱體內部結構示意圖

3.2 力學分析

1)天線自重

在考慮結構自重影響的工況下，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(質量M=400kg)

(4)

2)仿真分析計算結果

根據二次監視雷達技術規范及技術條件要求，當風速≤45m/s時，應保證二次天線正常工作，因此主要計算天線結構的強度應力數值，計算結果如圖9至圖11所示，天線結構鋁合金位置的最大應力150MPa，天線結構不銹鋼位置的最大應力75MPa。

圖9 B方案天線箱體45m/s風速下骨架應力分布

圖10 B方案天線結構鋁合金位置應力云圖

圖11 B方案天線結構不銹鋼位置應力云圖

圖12 B方案天線陣面誤差取值模型(風速45m/s)

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

(5)

式(5)中：si為隨機誤差；s0為平均誤差；n取值數。

通過以上力學仿真分析，可以得出天線陣面精度計算結果及結論(見表5)及天線強度計算結果及結論(見表6)。

表5 天線陣面精度計算結果及結論

計算工況最大變形計算結果(均方差)指標要求(均方差)結論風速45m/s2.5mm0.5129<0.68滿足精度指標要求

表6 天線強度計算結果及結論

計算工況天線材料屈服強度(MPa)最大應力(MPa)安全系數結論風速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構形式設計。其產品結構簡單，零部件數量少，加工周期短，整體密封性好且適合批量生產、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對比

名稱A方案-鉚接箱體B方案-焊接箱體結構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零部件數量83個品種約450件13個品種約49件結構及制造工藝零部件數量較多、結構比較復雜、加工周期較長、密封膠防雨壽命有限、鉚接結構外形凸起影響美觀等問題采用成熟制造工藝,易于批產、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、制造周期優勢明顯天線質量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)天線整體強度(相同工況下)鋁合金安全系數為1.4>1.3鋁合金安全系數為2.0>1.3

4 結束語

針對二次雷達傳統鉚接陣列天線設計中零部件數量較多、結構比較復雜、鉚接點過多易出現銹蝕、脫膠、漏水等不足，提出采用鋁板整體焊接的改進方案，并進行力學分析及性能指標對比，理論分析表明改進方案結構簡單，零部件數量少，整體密封性好且

適合批量生產、防雨性良好、外形美觀等優點。在實際工程的驗證，改進方案確實存在較大優勢。這為陣列天線的設計提供了新的改進思路，并為實際的工程應用提供了新的解決方案。