某模擬雷達的天線結構設計與仿真分析*

潘忠堂

（南京恩瑞特實業有限公司，江蘇南京 211106）

引 言

某雷達為多功能相控陣雷達，僅一部雷達就可完成搜索、跟蹤和制導的全部功能。其天線陣面由主陣列、導彈照射制導陣列、敵我識別和旁瓣對消陣列組成[1]。其主陣列采用光學饋電即空饋方式，直徑為2.44 m。為了測試該雷達的反導性能，需要對它進行各種電子對抗試驗。如果直接用該雷達去做電子對抗試驗，雖然能獲得很好的效果，但很不經濟，而且在打靶試驗中雷達還可能被試驗導彈擊毀，從而造成很大的經濟損失。如果用一個模擬該雷達主要功能、簡化或取消次要功能的模擬雷達來代替它去做電子對抗試驗，就可以大大減少試驗費用和經濟損失。如果將模擬雷達的天線布置在離發射機、接收機等主機設備較遠的地方，就可避免在打靶試驗中雷達主機設備被導彈擊毀的風險，從而進一步減少試驗損失。

本文根據雷達電子對抗試驗的需要，從減少試驗費用和經濟損失的角度出發，設計了適合靶場試驗的雷達天線并對天線結構進行了仿真分析。

1 天線結構設計

1.1 天線總體結構設計

為了降低成本，天線采用基礎框架與相控陣陣面相結合的復合結構。天線總體結構由基礎框架和相控陣陣面2部分組成。相控陣陣面穿過基礎框架上的方孔，其安裝法蘭通過螺栓與方孔上的法蘭連接。相控陣陣面的波控機箱和光端機安裝在基礎框架的背面，如圖1所示。

圖1 天線總體結構

基礎框架形成天線的整體結構，用于模擬實際天線的雷達散射截面積[2]。相控陣陣面模擬實際天線照射反輻射子母彈的功率電平、對目標的掃描與跟蹤模式、誘偏系統功率電平與工作模式以及電子對抗條件下的工作模式。

波控機箱共2個，分別位于相控陣陣面的上側和下側，用于控制移相器的相位。波控機箱下端進風，上端出風，風口設計有防雨罩，靠近相控陣陣面的兩側設計連接插座，用于連接相控陣陣面和光端機的電纜。相控陣陣面背面的四角各設計一個出線孔，每個出線孔穿過陣面四分之一移相器的控制電纜。從相控陣陣面背面上端兩孔出來的電纜與上側波控機箱兩側的插座相連；從相控陣陣面背面下端兩孔出來的電纜與下側波控機箱兩側的插座相連，這樣有利于電纜的連接，保證等長的波控機箱控制電纜長度最短。光端機通過光纜與遠程系統連接。光端機將光信號解調成電信號后輸入到2個波控機箱，作為波控機箱的控制信號。為了有效防雨，為相控陣陣面背面的出線孔設計了防雨罩，波控機箱和光端機選用防雨插座。

基礎框架下端設計有轉動支耳，用于天線的轉動，背面設計有推力支耳，用于連接推動天線轉動的倒豎機構。

1.2 基礎框架結構設計

基礎框架設計應采用簡單的天線結構以降低天線的生產成本。基礎框架采用骨架加蒙板結構，如圖2所示。蒙板用鉚釘或螺釘與骨架連接。骨架主要承載相控陣陣面的質量和風載荷[3]，應具有足夠的剛強度[4]。蒙板一方面模擬天線的外形，另一方面加強骨架的剛強度。骨架采用等邊角鋼焊接而成，中心設計有用于安裝相控陣陣面的方孔。在方孔四周焊接加強板，加強板可提高骨架的剛度，并對相控陣陣面的安裝起導向和定位作用。在方孔上表面焊接一塊安裝法蘭，用于相控陣陣面的安裝。對方孔四周和安裝法蘭的表面進行加工處理，以提高相控陣陣面的安裝精度。在基礎框架底部設計轉動支耳，在背面設計推力支耳，將它們與基礎框架的骨架焊接在一起進行整體加工，以提高天線的安裝精度。

圖2 基礎框架

1.3 相控陣陣面結構設計

相控陣陣面采用的饋電形式有強饋和空饋2種。強制饋電需要復雜的功率分配和功率合成網絡為每個天線輻射單元饋電[6]。空饋陣又可分為透鏡陣和反射陣，透鏡式空饋又可分為球面波饋電、球面波到平面波轉換饋電和平面波饋電[5]。反射陣縱向尺寸大，效率低[7]。喇叭空饋方式是球面波透鏡式空間饋電方式的一種變形，這種饋電形式結構簡單，而且是封閉式的，能量漏失小，饋電效率高，因此相控陣陣面采用喇叭空饋結構。

相控陣陣面輻射單元可采用喇叭或開口波導，可按矩形排列或三角形排列，可單獨設計或一體化設計。一體化三角形排布喇叭陣面[8]的結構復雜，加工成本高，但輻射單元三角形排列可使陣面結構緊湊。為了降低成本，相控陣陣面輻射單元采用成本低廉的開口波導并按三角形排列，輸入單元、移相器和輻射單元通過軸向階梯定位面依次連接，然后再安裝到陣面箱體內。這種結構簡單，加工成本低。另外，對于同樣的柵瓣抑制，輻射單元按三角形排列時所需的單元數比按矩形排列時少。

相控陣陣面由陣面箱體、陣面箱蓋、天線罩、輸入單元、移相器、輻射單元、風機和喇叭饋源等組成，如圖3所示。

圖3 相控陣陣面剖視圖

輸入單元、移相器、輻射單元和風機設置在陣面箱體內。輸入單元、移相器和輻射單元通過軸向階梯定位面依次連接，風機設置在它們上方。陣面箱蓋和天線罩分別設置在陣面箱體的側面，喇叭饋源安裝在陣面箱蓋上。輸入單元和輻射單元的一端設計為凸頭，另一端設計為凹頭。移相器的兩端均設計為凸頭，這2個凸頭可分別插入輸入單元和輻射單元的凹頭進行固定。陣面箱體的底板與陣面箱蓋相對，箱蓋和底板上設有相對應的方孔，輻射單元的凸頭插入底板上的方孔，輸入單元的凸頭插入箱蓋上的方孔。

喇叭饋源將輸入電磁波信號輻射到輸入單元，經移相器移相后從輻射單元輻射出去，通過控制移相器的相位來控制天線陣面波束的掃描。

為了準確模擬實際天線的回波功率，天線罩的高度應盡量小，以保證相控陣陣面安裝到基礎框架上后凸出的高度小于或等于實際天線上主陣列凸出的高度。

移相器產生的熱量由風機排出陣面箱體。如圖3和圖4所示，冷風從陣面箱體下端的進風口進入陣面箱體的下腔體；下腔體上端設計有過風孔，冷風可由過風孔進入安裝移相器的主腔體；冷風自下往上從移相器間穿過，到達上端時變成熱風；熱風被風機通過風機孔排入陣面箱體的上腔體，再從陣面箱體上端的出風口排出。移相器的控制電纜經過箱體內側壁的過線孔，從相控陣陣面背面的出線孔引出。出線孔部位作了密封防護，外面設計有防雨罩。

圖4 陣面箱體（不含移相器等）

2 天線結構仿真分析

天線結構的剛強度決定天線的安全性和精度[9]。根據設計指標要求，天線單元的高低和間距誤差皆小于±1 mm，考慮到加工和安裝誤差，天線結構的變形應控制在0.5 mm之內。天線具有工作和運輸2種狀態，工作時天線與水平面成60°角，運輸時天線成0°躺倒。天線工作時需承受較大的風載荷，剛從運輸狀態轉動時要承受較大的彎矩，因此，需要對天線傾斜0°和60°兩種狀態的剛強度進行仿真分析。

天線受到的載荷主要有基礎框架自身的質量、相控陣陣面的質量、波控機箱的質量（100 kg）、光端機的質量（10 kg）和風載荷。為了減小模型的計算量，對相控陣陣面模型進行簡化，將陣面內安裝的移相器、輸入單元、輻射單元等器件去掉，仿真時在陣面中間加入這些被去掉的器件質量（150 kg）。天線傾斜0°時，風載荷（180 kg）主要作用在天線的側面，天線傾斜60°時，風載荷（1 152 kg）主要作用在天線的正面。設計要求的風速為40 m/s，風載荷按公式（1）計算：

式中：F為風載荷，kg；C為風阻系數，取1.2；A為迎風面面積，m2；V為風速，m/s。

基礎框架的骨架選用Q235鋼，蒙板選用5A05鋁合金，相控陣陣面的陣面箱體和喇叭饋源采用5A05鋁合金，天線罩采用玻璃纖維增強塑料。采用有限元方法[10]對天線進行仿真分析。圖5為天線有限元模型，圖6為天線的變形云圖，圖7為天線的應力云圖。

圖5 天線有限元模型

圖6 天線變形云圖

圖7 天線應力云圖

天線在水平狀態和工作狀態下的最大變形分別為0.06 mm和0.20 mm，最大應力分別為9.91 MPa和26.63 MPa。天線的最大應力為26.63 MPa，小于鋼、鋁或玻璃纖維增強塑料的許用應力，最大變形為0.20 mm，滿足設計要求。

3 結束語

采用模擬雷達代替真正的雷達去做電子對抗試驗可節省大量試驗經費。采用基礎框架與相控陣陣面相結合的復合結構、用較少單元的相控陣陣面模擬真實雷達的相控陣陣面、簡化或取消一些次要功能等可節約70%左右的成本。該模擬雷達天線各項指標滿足設計要求，性能可靠，使用維護方便，交付某靶場使用后，受到用戶好評。