大型天線陣面平面度分析與控制

趙希芳，沈文軍，馬利華

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型天線陣面平面度分析與控制

趙希芳，沈文軍，馬利華

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

天線陣面平面度是雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要控制的關(guān)鍵指標(biāo)。文中以某大型固定天線陣面為研究對(duì)象，分析了影響陣面平面度的各個(gè)因素，對(duì)各因素進(jìn)行了誤差分配，制定了各因素的控制方案。介紹了陣面平面度測(cè)量方案及天線陣面安裝后平面度實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿足平面度指標(biāo)要求。該分析和控制方法為同類天線陣面平面度分析提供了參考，具有借鑒意義。

天線陣面；平面度；平面度測(cè)量

引 言

天線陣面的平面度是指天線陣面的實(shí)際反射面與理想反射面之間的偏差，該偏差會(huì)引起天線口面上場(chǎng)的相位誤差，使天線增益降低，旁瓣電平增高[1]。因此，天線陣面的平面度是雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要控制的關(guān)鍵指標(biāo)，正確分析和控制天線陣面平面度已成為低副瓣及超低副瓣天線的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。影響天線陣面平面度的因素主要包括天線陣面的制造精度、天線陣面在外載荷作用下的變形、天線陣面的安裝誤差等。要控制好天線陣面的平面度，首先要對(duì)平面度進(jìn)行合理的分配，對(duì)載荷變形進(jìn)行仿真分析。另外，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮合適的調(diào)整措施，在陣面安裝后對(duì)平面度進(jìn)行一定范圍的調(diào)整。

某大型固定式天線陣面口徑大，平面度要求高，如何保證天線陣面的平面度要求是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。文中首先對(duì)該天線陣面的平面度組成進(jìn)行了分配，隨后對(duì)各組成的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳盡的分析，確定了合理的精度控制方案。實(shí)物安裝后的精度測(cè)量證明該天線陣面的平面度控制方案完全滿足指標(biāo)要求。

1 平面度影響因素分析

某大型固定式天線安裝在天線樓斜面上，陣面口徑30 m，見圖1。為滿足天線電訊指標(biāo)要求，天線陣面的平面度要求≤3.8 mm(均方根)。影響該天線陣面平面度的因素有陣面載荷(重力、風(fēng)、冰雪、溫度)變形、天線陣面的加工制造精度、天線陣面安裝精度和天線樓不均勻沉降等。

為降低加工成本和設(shè)計(jì)難度，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)天線陣面的分塊進(jìn)行了充分的論證，將天線陣面分成4行15列共60塊相互獨(dú)立的天線子陣面，每個(gè)子陣面單獨(dú)與天線樓安裝連接，從而將30 m口徑陣面的加工制造精度、安裝精度及陣面載荷變形的要求轉(zhuǎn)化為2 m × 7.5 m口徑子陣面的要求。

圖1 天線陣面安裝及分塊圖

綜合考慮各因素對(duì)陣面平面度影響的敏感度和實(shí)現(xiàn)的難易，誤差分配如表1所示。陣面平面度(均方根)為3.59 mm。

表1 陣面誤差分配

2 陣面平面度控制

要實(shí)現(xiàn)陣面平面度要求，就必須對(duì)表1的4個(gè)影響因素采取控制措施，實(shí)現(xiàn)分配的指標(biāo)要求。其中，天線樓的不均勻沉降通過天線樓的基建施工來實(shí)現(xiàn)，本文不作分析。

2.1 子陣面載荷變形控制

天線子陣面采用箱體結(jié)構(gòu)，箱體骨架采用Q345鋼材焊接而成，箱體面板采用鋁合金5A05。箱體內(nèi)部安裝電子設(shè)備約2 550 kg。子陣面通過4個(gè)安裝點(diǎn)與天線樓連接。子陣面的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在外載荷作用下的剛度(變形)要求和強(qiáng)度要求。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)的相關(guān)要求，對(duì)子陣面而言，引起結(jié)構(gòu)變形的外載荷包括自重、風(fēng)載荷、冰載荷和溫度載荷，具體的計(jì)算工況如下：

工況1：自重+25 m/s風(fēng)載荷+30 ℃溫度載荷作用下，滿足變形要求；

工況2：自重+18m/s風(fēng)載荷+10mm冰載荷+30 ℃溫度載荷作用下，滿足變形要求；

工況3：自重+45 m/s風(fēng)載荷+30 ℃溫度載荷作用下，滿足強(qiáng)度要求；

工況4：自重+25m/s風(fēng)載荷+50mm冰載荷+30 ℃溫度載荷作用下，滿足強(qiáng)度要求。

采用ANSYS對(duì)子陣面進(jìn)行有限元建模，子陣面箱體采用SHELL181單元，調(diào)整機(jī)構(gòu)采用BEAM188單元，內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量采用MASS21單元。各工況的計(jì)算結(jié)果見表2。通過計(jì)算可知，子陣面的最大變形為0.46 mm，小于分配指標(biāo)1 mm，滿足剛度要求，變形云圖見圖2。

表2 子陣面力學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖2 子陣面變形云圖(工況2)

2.2 子陣面安裝精度控制

為保證子陣面安裝精度，消除天線樓沉降對(duì)陣面平面度的影響，在子陣面與天線樓安裝面之間設(shè)計(jì)了調(diào)整機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)子陣面與天線樓連接的同時(shí)，可以進(jìn)行陣面法向調(diào)節(jié)。調(diào)整機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿、絲杠螺母、直線導(dǎo)向和球鉸等構(gòu)成，調(diào)整量為±10 mm，調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 調(diào)整機(jī)構(gòu)

每個(gè)子陣面通過4個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)與天線樓連接。在子陣面安裝前，調(diào)整機(jī)構(gòu)先安裝在天線樓的安裝面上，并進(jìn)行初步調(diào)整，保證子陣面安裝面的平面度。所有子陣面安裝后，若陣面平面度不滿足要求，可以通過調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整每個(gè)子陣面，使其滿足指標(biāo)要求。

2.3 子陣面制造裝配精度控制

子陣面的制造裝配精度主要通過先進(jìn)制造手段來實(shí)現(xiàn)：采用反變形控制技術(shù)，減小焊接變形；采用大件熱處理技術(shù)，保證尺寸穩(wěn)定性；采用數(shù)控加工技術(shù)，保證尺寸精度一致性。

3 陣面平面度測(cè)量

利用工業(yè)測(cè)量手段和設(shè)備對(duì)陣面平面度進(jìn)行測(cè)量，才能獲得安裝后陣面的平面度值。利用調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)陣面平面度進(jìn)行調(diào)整也依賴于平面度測(cè)量。

大型天線陣面精度測(cè)量常用的方法有經(jīng)緯儀測(cè)量、全站儀測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等。與其他測(cè)量方法相比，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是一種快速、高效、高精度的大平面非接觸測(cè)量方法，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求低。本天線陣面口徑大，測(cè)量精度要求高，測(cè)量環(huán)境比較惡劣，因此采用了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，其典型測(cè)量精度為1∶105[3]，滿足該天線陣面的精度測(cè)量要求。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是一種快速、高效、高精度的大平面非接觸測(cè)量方法。原理是基于數(shù)碼相機(jī)圖像的三維重構(gòu)，數(shù)學(xué)上是求解物體三維空間到數(shù)碼相機(jī)二維CCD平面的映射關(guān)系。主體包括高分辨率數(shù)碼相機(jī)、 定向反光標(biāo)志(靶標(biāo))和數(shù)據(jù)處理軟件3部分，圖4為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基本原理。

圖4 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理

陣面平面度的測(cè)量分為3部分：

1)在天線陣面安裝前，將調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在天線樓的安裝面上，在調(diào)整機(jī)構(gòu)上黏貼靶標(biāo)，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)調(diào)整機(jī)構(gòu)組成的陣面安裝面的平面度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)超差的點(diǎn)采用調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整并重復(fù)測(cè)量，保證安裝面的平面度小于1 mm。

2)60個(gè)子陣面全部安裝到位后，在子陣面上黏貼靶標(biāo)，測(cè)量平面度，若平面度超過指標(biāo)要求，采用調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整并重復(fù)測(cè)量，確保陣面平面度滿足均方根小于3.8 mm的要求。

3)為消除天線樓不均勻沉降對(duì)陣面平面度的影響，需定期對(duì)陣面進(jìn)行測(cè)量，若平面度超過指標(biāo)要求，采用調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整并重復(fù)測(cè)量，確保陣面平面度滿足均方根小于3.8 mm的要求。

4 陣面平面度控制結(jié)果

根據(jù)控制方案進(jìn)行了天線陣面設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、安裝和測(cè)量。60個(gè)子陣面制造裝配后的平面度均小于1 mm。所有子陣面安裝到位后，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)安裝在天線樓上的天線陣面進(jìn)行了平面度測(cè)量，實(shí)際平面度為3.3mm，滿足陣面平面度指標(biāo)要求，30 m口徑天線陣面一次安裝成功。

5 結(jié)束語

天線陣面平面度對(duì)天線電性能有至關(guān)重要的影響，應(yīng)該在方案論證階段就對(duì)平面度的影響因素進(jìn)行全面分析，對(duì)各因素分配合理的控制指標(biāo)，并制定相應(yīng)的控制措施，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝配、安裝與測(cè)量的過程中全程控制。在陣面的安裝面預(yù)留調(diào)整機(jī)構(gòu)是保證天線陣面平面度的最經(jīng)濟(jì)有效的措施。

[1] 葉尚輝, 李在貴. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1988.

[2] 吳在東. 模塊化雷達(dá)天線陣面平面度誤差分析及軟件開發(fā)[J]. 電子機(jī)械工程, 2006, 22(6): 33-36.

[3] 李廣云, 李宗春. 工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 2011.

趙希芳(1977-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Analysis and Control of the Flatness of Large Size Antenna Array

ZHAO Xi-fang，SHEN Wen-jun，MA Li-hua

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Flatness of antenna array is a key point needing control in radar structure design. This article carries out analysis on the flatness of a large size stationary antenna array. All factors affecting the flatness of antenna array are analyzed, errors are distributed among these factors, and the control schemes of these factors are established. The measuring method of the flatness of antenna array is described and the actual measuring result after installation is given. The actual measuring data satisfy the flatness requirement. The analysis and the control schemes in this article can provide reference for the flatness analysis on other similar antenna array.

antenna array; flatness; flatness measurement

2014-02-10

TN823+.27

A

1008-5300(2014)02-0037-03