某車載雷達(dá)天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

郭睿

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，西安710068）

0 引 言

車載雷達(dá)往往具有較好的機(jī)動性能。在受到威脅的情況下，整個雷達(dá)系統(tǒng)既能夠快速轉(zhuǎn)場，避免敵方攻擊和殺傷，又能在轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域后，迅速恢復(fù)工作，繼續(xù)發(fā)揮作戰(zhàn)能力[1-2]。為達(dá)到較好的機(jī)動性能，一般需要在設(shè)計車載雷達(dá)結(jié)構(gòu)時，除了滿足快速可靠架收要求外，還需要充分考慮運(yùn)輸規(guī)范要求。

天線作為車載雷達(dá)工作的核心部件，主要負(fù)責(zé)發(fā)射和接收電磁波信號。其口徑大小往往取決于電氣指標(biāo)。當(dāng)天線口徑較大，無法滿足運(yùn)輸條件時，就必須對天線進(jìn)行分塊處理以滿足運(yùn)輸限界的要求。運(yùn)輸分塊方案不僅決定天線強(qiáng)度及剛度性能，更直接關(guān)系到天線系統(tǒng)電氣指標(biāo)的實現(xiàn)。目前文獻(xiàn)多集中在平板類天線或偏饋的反射面天線的分塊折疊方面[3-4]，而在正饋反射面天線方面還未見相關(guān)資料。本文以某車載雷達(dá)天線為例，針對該天線提出一種反射面分塊方案，并進(jìn)行反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后利用有限元軟件/Nastran對天其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核。該反射面天線分塊方案可為后續(xù)同類天線的設(shè)計提供一定的參考。

1 天線整體方案

某車載雷達(dá)主要由天線系統(tǒng)、方艙、牽引車、半掛車等部分組成，如圖1所示。該天線系統(tǒng)由主反射面（主面）、副反射面（副面）、前饋、后饋、比較網(wǎng)絡(luò)、高頻箱等部分組成，如圖2所示。天線采用卡塞格倫形式，其工作方式為后饋垂直極化發(fā)射，前饋垂直、水平雙極化接收。其中副反射面為極化隔離器，對后饋饋源為全反射，對前饋饋源為全透射。

圖1 某車載雷達(dá)總體布局

圖2 天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 指標(biāo)要求

1）反射面尺寸為（3200±2）mm；2）焦距f=1184 mm；3）反射面精度RMS≤0.5 mm；4）反射體質(zhì)量≤170 kg；5）承載風(fēng)力：相對風(fēng)速為11 m/s時正常工作；相對風(fēng)速為20 m/s時結(jié)構(gòu)不破壞；6）符合GJB 2984-97《運(yùn)載裝載尺寸與質(zhì)量限制》要求。

2.2 設(shè)計方案

國軍標(biāo)要求公路運(yùn)輸車輛及貨物頂部距地面高度小于4 m，寬度小于2.5 m。而該天線反射面直徑為3.2 m，安裝在雷達(dá)車上后在寬度和高度方向均超出標(biāo)準(zhǔn)限制。為保證該雷達(dá)天線系統(tǒng)的機(jī)動性，需要對反射面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計，以滿足公路運(yùn)輸?shù)幕疽蟆?/p>

在設(shè)計該反射面時，將其按照圖3進(jìn)行分塊，即主反射面由多塊面板拼裝而成，當(dāng)天線需要運(yùn)輸時，可拆除邊緣三瓣，只保留中心主塊部分。拆除分塊后反射面寬度主尺寸為2300 mm。

圖3 反射面分塊示意

采用該方案對反射面進(jìn)行分塊，可保證在拆裝分塊前后，不影響前饋饋源支架位置，即可保證主面、前饋、后饋及副面間相對位置不發(fā)生改變，這樣不僅可以滿足公路運(yùn)輸要求，還最大限度地保證了電氣性能穩(wěn)定、可靠，天線運(yùn)輸狀態(tài)如圖4所示。

圖4 天線運(yùn)輸狀態(tài)

該方案還可以保證在拆裝分塊時，主面、前饋、后饋及副面的相對位置不發(fā)生改變，使電氣性能的精度要求得到充分保障。

該反射面采用分塊拼裝形成完整的拋物面，整體質(zhì)量約為160 kg。反射面結(jié)構(gòu)主要由中心主塊、3個分塊、前饋支架、前饋安裝法蘭，以及定位銷、鎖緊螺釘組成，如圖5所示。

圖5 反射面結(jié)構(gòu)

反射面面板采用12張1.5 mm厚度鋁板拉伸淬火成型，中心主塊中心部分采用ZL114A鑄造成型后，再通過數(shù)控加工將曲面加工成型，天線背部加強(qiáng)筋為角鋁型材拉彎成型。

每塊分塊與中心主塊通過6個松不脫螺栓連接，同時配有2組定位銷定位，以保證邊塊再裝配的復(fù)位精度。3個分塊結(jié)構(gòu)相同，每塊重約13 kg，滿足快速安裝的要求。

3 數(shù)值仿真計算

3.1 工況選取及載荷計算

根據(jù)反射面指標(biāo)要求，需要計算以下條件下天線反射體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)：1）反射面仰天狀態(tài)的自重變形；2）反射面指平狀態(tài)的自重變形；3）反射面指平狀態(tài)，11 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力；4）反射體指平狀態(tài)，20 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力。

根據(jù)風(fēng)力計算式：

式中：F為天線所受總風(fēng)力大小，N；CF為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；V為風(fēng)速，m/s；A為發(fā)射面特征面積，即投影面積，m2。

根據(jù)拋物面焦徑比，取阻力系數(shù)CF=1.3[5]，計算得到該計算風(fēng)速下天線系統(tǒng)的總風(fēng)載：11 m/s風(fēng)速載荷F11=1675 N；20 m/s風(fēng)速載荷F20=5535 N。

3.2 建立有限元模型

反射面板及輻射梁均由鋁板及鋁型材鉚接而成，按照其特性可簡化為殼單元；前饋支架因為其長度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其另外兩個方向的尺寸，可簡化為梁單元。在中心主塊底部安裝孔施加固定約束，可得到有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

3.3 仿真結(jié)果

1）仰天狀態(tài)的自重變形。反射面仰天狀態(tài)的自重變形如圖7所示，其最大變形為0.2 mm。

圖7 反射面仰天狀態(tài)自重變形

2）指平狀態(tài)的自重變形。天線系統(tǒng)工作狀態(tài)的自重變形如圖8所示，其最大變形為0.37 mm。

圖8 反射面指平狀態(tài)自重變形

3）指平狀態(tài)，11 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力。指平狀態(tài)時，在11 m/s風(fēng)載和自重載荷下反射面的變形如圖9(a)所示，最大變形為0.37 mm；應(yīng)力云圖如圖9(b)所示，其最大應(yīng)力在反射體中心體位置，其最大應(yīng)力為9.1 MPa。

圖9 11 m/s風(fēng)載荷下變形、應(yīng)力

4）指平狀態(tài)，20 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力。指平狀態(tài)時，在20 m/s風(fēng)載和自重載荷下反射面的變形如圖10(a)所示，最大變形為0.38 mm；應(yīng)力云圖如圖10(b)所示，其最大應(yīng)力在反射體中心體位置，其最大應(yīng)力為16.5 MPa。

圖10 20 m/s風(fēng)載荷下變形、應(yīng)力

3.4 仿真結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果可知，該反射面的最大形變和最大應(yīng)力均發(fā)生在20 m/s風(fēng)荷載作用的指平狀態(tài)，最大應(yīng)力為16.5 MPa，小于其材料許用應(yīng)力；最大變形僅為0.38 mm，可認(rèn)為該反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行、天線結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均可滿足使用要求。

4 結(jié) 論

本文對某車載雷達(dá)反射面天線提出了一種反射面分塊方案，并根據(jù)方案進(jìn)行反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元分析對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，該反射面結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度良好，設(shè)計合理，滿足總體指標(biāo)要求。其分塊方案可為后續(xù)同類天線的設(shè)計提供一定的參考。