某星載SAR天線陣面的游離設(shè)計與驗證

董好志， 江李加， 張 雨

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

星載合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式微波成像傳感器，可以在能見度極低的氣象條件下獲得高分辨雷達圖像，具備全天候、全天時成像能力，廣泛應(yīng)用于空間軍事偵察以及自然資源普查等軍事和民生領(lǐng)域。隨著星載SAR技術(shù)的發(fā)展，各種面向新型應(yīng)用的新體制、新模式會不斷出現(xiàn)，一般可展開折疊的雷達天線陣面口徑在10～20 m，未來對星載SAR的各項指標及應(yīng)用有著更高的要求，雷達口徑朝著更大的方向發(fā)展，星載SAR天線陣面在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)跨度大、質(zhì)量輕、剛度低等動力學特性，由于SAR天線陣面在空間中的高低溫工作特性，天線陣面的熱變形對天線的電性能指標有著一定的影響，如果縫隙波導天線因熱變形導致天線陣面平面度很差，其兩個輻射單元的間距與理論值存在偏差，進而導致空間相位差不準、增益降低等電性能影響，天線陣面是衛(wèi)星載荷的核心組成部分，其在規(guī)定溫度條件下結(jié)構(gòu)變形參數(shù)對載荷性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此針對衛(wèi)星天線在工作階段的熱變形進行控制，保證天線在各種工況下的狀態(tài)穩(wěn)定性，具有十分重要的意義。

本文結(jié)合衛(wèi)星載荷超過30 m大口徑、長時間工作的要求，根據(jù)系統(tǒng)特征，采用模塊化的設(shè)計思路，通過模塊化組陣的方式形成SAR天線陣面，研究了SAR天線陣面的游離設(shè)計對天線陣面平面度的影響，并進行了試驗驗證。對天線系統(tǒng)的游離設(shè)計與非游離設(shè)計進行了仿真分析，同時根據(jù)天線系統(tǒng)特性策劃了一個結(jié)構(gòu)單模塊，并根據(jù)衛(wèi)星的在軌熱特性開展單模塊熱變形試驗，獲得規(guī)定溫度條件下天線游離變形數(shù)據(jù)，驗證了游離設(shè)計的有效性，為衛(wèi)星載荷的總體設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 天線陣面游離設(shè)計

該SAR天線系統(tǒng)主要由縫隙波導天線(含雙波段共口徑縫隙波導天線和單波段縫隙波導天線兩種)、陣面電氣部分、饋電網(wǎng)絡(luò)與電纜、天線框架與機構(gòu)和天線熱控等組成。天線系統(tǒng)由多個天線單板組成，天線單板的示意圖如圖1所示，縫隙波導采用矩形排列方案，單個縫隙波導天線安裝在天線框架上。縫隙波導的材料為鋁合金，天線框架為碳纖維復(fù)合材料，縫隙波導安裝在天線框架上，由于鋁合金和碳纖維復(fù)合材料的線脹系數(shù)不一致，會導致在較大溫度變化下產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要求在較大的熱應(yīng)力下，波導可以產(chǎn)生小位移游離，進而達到降低熱變形導致的波導平面度變化過大。

(a) 天線單板正面示意圖

縫隙波導相互獨立安裝，每一個縫隙波導和碳纖維框架均通過4個螺釘相固定，常規(guī)的固定方式為4個圓孔固定，在較大的熱變形下，縫隙波導會產(chǎn)生翹曲變形，從而導致天線系統(tǒng)平面度變形較大；為了消除兩者之間由于材料不同產(chǎn)生的熱變形和應(yīng)力，要求天線框架設(shè)計時把與縫隙波導天線安裝在天線框架上4個連接孔采用1點圓孔、3點腰形孔的連接形式，如圖2所示，4個孔的中心位置是理論位置，其中對角線腰形孔的偏轉(zhuǎn)角度為兩點理論位置的連線。天線系統(tǒng)中縫隙波導向同一方向游離，游離方向示意圖如圖3所示。

圖2 天線框架上連接孔要求

圖3 天線陣面上的游離方向示意圖

為了保證游離的可靠性，要求框架與波導之間的安裝面粗糙度要達到Ra3.2 μm以上，并且在安裝時，安裝接觸面要涂敷特定的潤滑油脂，以降低二者之間的摩擦系數(shù)。

2 天線陣面平面度仿真分析

根據(jù)衛(wèi)星的在軌熱特性，在采取一定的熱控措施下，可以仿真出在軌期間天線系統(tǒng)各設(shè)備的溫度，如表1所示，然后根據(jù)最惡劣工況仿真出天線系統(tǒng)最大的在軌熱變形，熱變形計算分為對縫隙波導固定安裝和游離安裝兩種方案進行了計算。

表1 在軌各設(shè)備仿真溫度 ℃

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，波導固定狀態(tài)下，天線系統(tǒng)垂直方向的變形量為-15.3～19.1 mm，如圖4所示；波導游離安裝狀態(tài)下，天線系統(tǒng)垂直方向的變形量為1.1 mm，如圖5所示。對比表明，縫隙波導游離安裝狀態(tài)下，可以顯著降低天線系統(tǒng)熱變形。

圖4 縫隙波導固定安裝狀態(tài)下熱變形云圖

圖5 縫隙波導游離安裝狀態(tài)下熱變形云圖

3 試驗驗證

天線陣面由多個單板天線組成，由圖1(b)可知，每個單板天線由左右兩個完全相似的天線單元組成。根據(jù)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱特點和試驗場地空間限制，試驗天線模塊采用天線單元的3/4結(jié)構(gòu)。天線陣面平面度的主要影響因素是縫隙波導安裝方式，單個裂縫波導采用四點約束，其中一點為圓點固定約束，其他三點為腰形孔約束，因此裂縫波導的熱變形具有相互獨立性，考慮單波段與雙波段共口徑裂縫波導結(jié)構(gòu)不同，選用3/4個天線單元作為試驗樣件的實驗結(jié)論具有一定指導性。試驗天線模塊的安裝方式和材料體系與天線單板完全一致，僅在方向的一側(cè)進行了剪拆，試驗天線模塊的示意如圖6所示。

(a) 正面示意圖

根據(jù)試驗驗證情況，單模塊熱變形試驗溫度范圍設(shè)定為35 ℃到-15 ℃，每隔10 ℃進行一次測試，具體如表2所示。每次測試前都需在測試溫度點保持90 min使單模塊產(chǎn)品達到溫度均衡狀態(tài)，再進行天線陣面的平面度測試和天線的熱變形測試。

表2 熱變形試驗條件

試驗狀態(tài)如圖7所示，將單模塊垂直吊掛在工裝上，保證單模塊除重力外，不再承受其他載荷，盡量模擬在太空中的真實狀態(tài)；非接觸式雙相機攝影測量系統(tǒng)在距離單模塊3.5 m左右的距離，同時放入環(huán)境箱。

圖7 單模塊試驗狀態(tài)

采用非接觸式雙相機攝影測量系統(tǒng)對各試驗條件下的單模塊陣面變形及平面度進行測量，該系統(tǒng)在距被測對象4 m距離內(nèi)變形測量精度為40 μm。

單模塊波導天線表面布置測量靶標點，分布方式如圖8所示，縫隙波導表面共布置180個測點。

圖8 單模塊靶標點分布

以25 ℃為基準，選取圖5、圖6所示的靶標計算點，分析不同溫差下縫隙波導天線的平面度和游離方向(向)變形，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 單模塊波導面平面度

表4 單波段波導天線游離變形 μm

單波段波導面的平面度峰峰值最小值為0.57 mm，出現(xiàn)在25 ℃狀態(tài)下，這時天線陣面的初始安裝狀態(tài)；平面度峰峰值最大值為1.65 mm，出現(xiàn)在-15 ℃狀態(tài)下，相對常溫下平面度相對變化1.08 mm，與仿真的數(shù)據(jù)吻合性較好；當溫差為-40 ℃時，即從25 ℃到-15 ℃，縫隙波導天線在向游離變形均值為513 μm，說明縫隙波導天線在溫度應(yīng)力作用下，可以進行可靠的滑移，驗證了設(shè)計的有效性。

4 結(jié)束語

本文針對某衛(wèi)星天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用游離設(shè)計的方法，以達到降低系統(tǒng)熱變形的目的，并根據(jù)衛(wèi)星的在軌溫度特性，進行了熱變形仿真，仿真結(jié)果表明游離設(shè)計的合理性；根據(jù)系統(tǒng)的特點策劃了結(jié)構(gòu)單模塊，采用非接觸式雙相機攝影測量系統(tǒng)開展天線單模塊的熱變形試驗，并采集了天線陣面在不同溫度條件下的平面度和游離變形兩個方面的試驗數(shù)據(jù)，該試驗驗證了縫隙波導采用游離設(shè)計的方式，天線系統(tǒng)在規(guī)定溫度條件下熱變形與仿真的一致性較好，達到了設(shè)計的目的，反映了該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有效性及合理性，為衛(wèi)星載荷總體設(shè)計提供了有效的數(shù)據(jù)支持。