某車載高機動雷達天線陣面結構設計

陳凡龍,趙承三,邱坤濱

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

車載雷達相較其他同類雷達具備快速可靠架設和撤收功能,大大提升了雷達戰時的生存能力。為擴大低頻段天線陣面的口徑,不僅須折疊天線陣面,甚至還要將天線單元倒伏放置,從而壓縮運輸狀態下的天線陣面包絡。為配合車載雷達的快速架/撤功能,研究一種具備天線單元自動翻轉功能的可折疊天線陣面顯得尤為重要。本文基于一種低頻段雷達,提出一種天線單元被動翻轉的高機動天線陣面結構設計方法。

1 組 成

主天線陣面結構尺寸約為9 m×5.2 m(方位×俯仰),為滿足公路、鐵路、水路運輸通過性需求,確保整車機動性能的實現,天線陣面沿高度方向共分3塊:上陣面、中陣面和下陣面,上陣面集成二次天線。在運輸狀態時,3個陣面呈“門”字型折疊,折疊后外形寬度約為2.5 m;當處于工作狀態時,整個陣面骨架合為一體形成完整陣面。中陣面與轉臺之間由兩處支耳連接,通過兩組電動缸實現陣面90°翻轉;上陣面、下陣面分別通過兩組電動缸與中塊連接,實現展開與折疊。同時,邊陣面和中陣面上的天線單元通過聯動機構實現折疊與展開,如圖1所示。

圖1 主天線陣面展開和折疊示意圖

該天線陣面由1個中陣面、1個上陣面和1個下陣面組成,3個子陣面各安裝2×8(行×列)天線單元,上陣面和下陣面相對于中陣面上下對稱布置,與中陣面之間都通過4處支耳連接,通過各兩組電動缸實現翻轉。天線陣面的主要設備包括:天線骨架、反射網、陣面機柜、DAM總成、二次雷達和GPS天線,其中二次雷達天線和兩個GPS天線固定安裝在上陣面的頂端,如圖2所示。

圖2 天線陣面示意圖

2 結構設計

2.1 天線骨架結構設計

天線骨架采用桁架式結構,尺寸為9 m×5.2 m(方位×俯仰),采用鋁管焊接成桁架式結構[1]。鋁管選用5A06鋁合金管型材,規格為Ф50×4、Ф40×3和Ф30×3。天線骨架由上邊塊、中塊和下邊塊組成,各分塊之間通過鉸鏈連接,由邊塊折疊電動缸提供動力。運輸時上、下邊塊通過電動缸折疊90°倒下,與中塊形成“門”字型結構,完成天線撤收。

天線中骨架的主要功能是安裝陣面翻轉機構及電子設備,并提供結構載體與舉升機構連接實現雷達天線陣面舉升和倒伏,其主要接口包括陣面翻轉機構安裝接口、綜合機柜安裝接口、轉臺連接接口、舉升電動缸連接接口、DAM總成機柜接口等,其中陣面翻轉機構安裝接口為邊塊折疊電動缸的接口。天線中骨架采用5A06鋁合金管材焊接而成,連接支耳也選用5A06鋁合金材質,支耳孔內嵌工程塑料軸套。中塊天線骨架的結構及安裝接口如圖3所示。

圖3 天線中骨架結構及安裝接口

該雷達天線骨架上邊塊的主要功能是安裝陣面展開機構、提供結構載體、安裝二次雷達天線和GPS天線等,其主要接口包括陣面翻轉機構安裝接口、二次雷達天線安裝接口和GPS天線安裝接口等。上邊塊的結構及安裝接口如圖4所示。

圖4 天線骨架上邊塊結構及安裝接口

該雷達天線骨架下邊塊的主要功能是安裝陣面展開機構、提供結構載體、安裝DAM總成機柜等,其主要接口包括陣面翻轉機構安裝接口、DAM總成機柜安裝接口等。下邊塊的結構及安裝接口如圖5所示。

圖5 天線骨架下邊塊結構及安裝接口

該雷達反射網先用幾種規格的條狀鋁板鉚接,然后用鋁絲和鋁板焊接成型,四周預留與天線骨架的安裝接口,如圖6所示。

圖6 反射網結構形式

2.2 天線單元結構設計

天線單元為T型振子形式,共48個,分為6行8列。中塊和上、下邊塊上分別布置了2行8列天線單元。當工作時,天線單元水平垂直于天線反射面。運輸時,天線單元翻轉90°,與反射面平行。每個子陣面的每行振子分為兩個旋轉桿,兩桿同軸且固定旋轉,旋轉桿通過軸承和軸承座與天線骨架連接,并通過天線單元聯動機構實現天線單元的一次性自動翻轉。圖7為單行天線單元結構圖。

圖7 單行天線單元結構示意圖

2.3 天線陣面結構設計

天線陣面包含天線骨架、反射網、陣面機柜、DAM總成、二次雷達和GPS天線,將所有設備集成后,連接上相應電纜,所設計的天線陣面結構形式如圖8所示。

3 天線單元聯動機構結構設計

天線單元聯動機構位于骨架內部,其一端固定于骨架上,另一端連接天線單元轉桿,通過邊骨架的折疊與展開驅動聯動機構運動,最終驅動天線單元作動。

聯動機構的主要功能:在運輸過程中,聯動機構約束天線單元折疊貼附于陣面之上,既可防止天線陣面運輸超限,又保證了天線單元在運輸過程中的剛度特性。在工作過程中,聯動機構驅動天線單元隨邊塊的展開動力而自動翻轉至工作狀態,省去了雷達操作人員手工翻轉再固定的流程,提高了架設和撤收效率。

48個天線單元可分為兩類:中塊天線單元(2×8=16個)和邊塊天線單元(4×8=32個),二者的自動翻轉均基于四連桿機構的運動原理[2]。由鉸鏈四連桿機構類型的判斷條件可知,圖9中邊陣面上聯動機構為雙擺桿機構,不存在曲柄;中陣面上聯動機構為雙曲柄機構,且兩個連架桿等長,在運動中的某一瞬時為反平行四邊形機構。天線陣面的展開狀態、中間狀態和折疊運輸狀態分別如圖9(a)～(c)所示,其中圖中標識的角度為邊陣面與中陣面的瞬時夾角。

圖9 特定角度下天線單元運動原理圖

通過簡單的理論力學計算,對陣面任一狀態下天線單元及其聯動機構的運動形式進行分析,最后可得連桿產生的附加阻力矩約為200 Nm(計及射頻線纜阻力在內),簡化過程見圖9(d)。

4 天線結構仿真分析

4.1 模型建立

基于有限元建模基本原則和簡化方法,根據雷達系統的具體結構形式,建立有限元模型如圖10所示[3-5],此處進行了一定的簡化,去除了對結構力學性能影響較小的倒角、小螺紋等結構。天線骨架的鋁合金管材簡化為梁單元,天線骨架上的支耳等簡化為殼單元,轉臺、撐腿等結構也主要采用殼單元進行模擬,陣面機柜、DAM總成、二次天線配重等非承力結構采用質量單元進行等效。模型共包含144 533個單元和132 617個節點。分析模型的質量與設計模型一致。

圖10 天線系統有限元模型

天線骨架主體部分結構所使用的材料主要為5A06鋁合金,轉臺和車平臺主體部分結構所使用的材料主要為Q355D合金鋼,各部分承力結構材料參數見表1。仿真工況:天線處于工作狀態,天線仰角85°,考慮自重,正向迎風20 m/s,天線轉速為6 r/min。

表1 材料力學性能表

4.2 仿真結果分析

在陣面架設狀態下,天線系統和天線陣面的力學分析結果如圖11所示。

(a) 天線系統

可以看出,在工作狀態下,天線系統材料Q355D應力最大響應位于轉臺與肋板的連接位置,其等效應力為127 MPa;天線陣面的應力最大響應位于靠近中心的斜撐梁位置,其等效應力為19.3 MPa,結構安全。天線陣面和轉臺等強度均滿足設計要求,且有一定的安全余量[2]。

圖12給出了天線陣面前3階模態頻率及振型,分別表征天線陣面前后搖擺、左右扭動和左右搖擺。前3階模態的頻率均大于1.5 Hz,滿足環境設計要求(≥1.5 Hz)。

(a)一階模態,頻率為2.71 Hz

5 結束語

本文設計了天線單元可隨動翻轉的天線陣面,驅動天線單元的聯動機構結構簡單、制造方便、可靠性高,實現了天線單元隨天線陣面的高精度翻轉。因此本文的天線陣面在車載雷達的架設和撤收過程中表現出了高可靠性和易維修性,其結構設計方法可為類似的天線陣面的結構設計提供參考。