大型天線的俯仰架結(jié)構(gòu)

趙武林，李 燕

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065；2. 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065)

引 言

對(duì)于拋物面天線而言，當(dāng)其口徑大于10 m時(shí)我們稱之為大型天線或大口徑天線[1]。眾所周知，大型天線在深空探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可忽視的作用[2]。由于大型天線的主面精度和其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密不可分，同時(shí)主面精度又是評(píng)價(jià)和衡量大型天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，大型天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可謂是大型天線設(shè)計(jì)過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了提高天線主反射面精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們采取了一系列辦法，但主要是直接針對(duì)天線反射體結(jié)構(gòu)，提高反射體背架的結(jié)構(gòu)剛度，卻忽略了天線俯仰架結(jié)構(gòu)對(duì)天線精度的影響。大型天線的俯仰架結(jié)構(gòu)，主要指天線座的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)部分，承擔(dān)著承上啟下的作用：一方面為天線反射體的安裝和固定提供基礎(chǔ)；另一方面俯仰架中的俯仰框架通過(guò)其俯仰軸和天線座架相連，實(shí)現(xiàn)天線全可動(dòng)功能。在大型天線中，俯仰架和天線反射體緊密相連，其結(jié)構(gòu)變形直接影響天線反射體的結(jié)構(gòu)變形，從而影響反射體的精度。在國(guó)外有些文獻(xiàn)里，俯仰框架直接作為天線反射體的一部分，或者說(shuō)是其延伸。因此，俯仰架結(jié)構(gòu)是天線結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，直接影響反射體的精度是否能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 俯仰架結(jié)構(gòu)與主反射面保型設(shè)計(jì)

天線主反射面是安裝固定在天線背架結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)電磁波反射功能的結(jié)構(gòu)，整個(gè)背架結(jié)構(gòu)通過(guò)俯仰架的安裝固定在天線座架上，以實(shí)現(xiàn)天線全方位的運(yùn)動(dòng)功能。然而，在自重以及外載荷作用下，整個(gè)天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(包括天線主反射面及背架結(jié)構(gòu))均將不可避免地發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，因此需要采取一些巧妙的結(jié)構(gòu)形式，來(lái)確保在發(fā)生結(jié)構(gòu)變形后主反射面相對(duì)于理論反射面的面型精度在可控和可用范圍內(nèi)，即主反射面的保型設(shè)計(jì)。為保證主反射面的精度，主要采取以下措施。

1.1 傘形支撐結(jié)構(gòu)的使用

在早期大天線設(shè)計(jì)中，由于俯仰大齒弧和配重集中作用在天線中央?yún)^(qū)域，使天線呈船型變形，不夠均勻，因此反射面精度不甚理想。德國(guó)Effelsberg 100 m射電望遠(yuǎn)鏡[3]，其設(shè)計(jì)采用傘形支撐結(jié)構(gòu)，將俯仰齒輪及配重產(chǎn)生的力分散到天線各個(gè)部分，避免由于集中載荷引起天線不均勻變形。因此，大型天線背架結(jié)構(gòu)采用成熟的傘形支撐結(jié)構(gòu)，摒棄傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念——反射體支撐越強(qiáng)越好，而是采用等剛度設(shè)計(jì)理念，即用傘形支撐結(jié)構(gòu)將俯仰大齒弧和配重以及俯仰座架對(duì)反射體的作用力均勻分散到反射體上，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中反射體和背架連接強(qiáng)的地方削弱，連接弱的地方加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)反射體背架相等剛度設(shè)計(jì)。圖1為傘形支撐原理簡(jiǎn)圖。由圖可知，采用傘形支撐結(jié)構(gòu)后，由傘形支撐結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線結(jié)構(gòu)中俯仰軸承和俯仰大齒弧對(duì)反射體的直接支撐。反射體和座架之間的連接靠傘形支撐結(jié)構(gòu)頂端以及俯仰框架十字框架中心點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使直接支撐變?yōu)殚g接支撐，這兩點(diǎn)支撐均在反射體軸線上，同時(shí)傘形支撐對(duì)反射體的支撐在同一圓面上，因此能實(shí)現(xiàn)對(duì)反射體呈輻射狀支撐的作用。

圖1 傘形支撐原理

圖2所示為某大天線的傘形支撐結(jié)構(gòu)，該天線傘形支撐結(jié)構(gòu)形成24邊框，這24個(gè)點(diǎn)均勻支撐在反射體背架上。同時(shí)釋放掉俯仰大齒弧、俯仰軸承座和反射體之間的直接約束，降低了俯仰大齒弧和配重對(duì)反射體背架變形不均勻性的影響。

圖2 大型天線傘形支撐結(jié)構(gòu)

1.2 俯仰十字框架

俯仰十字框架是實(shí)現(xiàn)天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵連接部位[4]。大型天線設(shè)計(jì)中，兩俯仰軸承呈對(duì)稱分布在天線兩側(cè)，兩者之間距離很大，俯仰大齒弧半徑也很大，若按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這4點(diǎn)直接和反射體背架相連，會(huì)使俯仰軸處對(duì)反射體約束太強(qiáng)，俯仰大齒弧兩端對(duì)反射體的附加載荷太大，導(dǎo)致反射體變形不夠均勻。因此，可以采用俯仰十字框架的結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖3所示。在該俯仰十字框架中，其4個(gè)端點(diǎn)分別為兩俯仰軸承和兩俯仰大齒弧的端點(diǎn)，將俯仰大齒弧的載荷直接傳遞給俯仰軸承。同時(shí)將俯仰軸同傘形支撐交匯點(diǎn)直接相連，交于俯仰大齒弧底部，使得整個(gè)俯仰框架和俯仰大齒弧構(gòu)成一個(gè)剛性均勻的整體，大大提高了天線的抗扭轉(zhuǎn)能力。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒎瓷潴w作用于傘形支撐的載荷以及俯仰大齒弧所承受的載荷傳遞到俯仰軸兩端，便于進(jìn)一步傳遞給俯仰座架。

圖3 俯仰十字架原理簡(jiǎn)圖

1.3 副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)獨(dú)立支撐

在傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了便于結(jié)構(gòu)安裝，常常將副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)支撐在反射體背架上。然而，對(duì)大型天線而言，由于副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)距離俯仰軸較遠(yuǎn)，因此，在重力和外載荷作用下，該部分結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，尤其是天線在低仰角上工作時(shí)，將尤為明顯，使反射體產(chǎn)生不均勻變形，嚴(yán)重影響主反射面精度。為了降低副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)反射面精度的影響，可以將副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)獨(dú)立支撐在俯仰架上，而不是支撐在天線反射體上，實(shí)現(xiàn)副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)和反射體之間相互獨(dú)立的支撐關(guān)系。在大型天線反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將對(duì)反射體背架影響大的兩根副面撐調(diào)機(jī)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)直接支撐在俯仰大齒弧上，有效地避免了副面撐調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)反射面精度的影響，如圖4所示。

圖4 副面撐調(diào)結(jié)構(gòu)獨(dú)立支撐

在上述設(shè)計(jì)方法中，傘形支撐和俯仰十字框架構(gòu)成大型天線的俯仰架結(jié)構(gòu)。采用該種俯仰架結(jié)構(gòu)后，可以將俯仰架與反射體背架的連接平面(即反射體的支撐平面)，設(shè)計(jì)成一個(gè)完全等剛度面，以實(shí)現(xiàn)反射體變形的均勻化和連續(xù)化。再結(jié)合副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)獨(dú)立支撐技術(shù)的使用，能夠很好的實(shí)現(xiàn)大型天線的保型設(shè)計(jì)。

2 俯仰架及保型設(shè)計(jì)應(yīng)用

由以上的分析和描述可以看出，巧妙的俯仰架結(jié)構(gòu)是發(fā)揮天線保型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，不同的俯仰架結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致不同的保型效果。圖5為用Ansys軟件[5]計(jì)算出的某大天線分別采用傳統(tǒng)俯仰架結(jié)構(gòu)和前文所述俯仰架結(jié)構(gòu)時(shí)的變形云圖。從圖5(a)和圖5(b)的對(duì)比可以看出，采用新型俯仰架進(jìn)行保型設(shè)計(jì)后天線變形均勻性得到了大幅提高，變形后仍然保持了圓形，從而為天線保型設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。下面介紹3種典型的大天線俯仰架結(jié)構(gòu)。

圖5 天線變形云圖

2.1 某Q頻段40 m俯仰架

40 m射電望遠(yuǎn)鏡，最高工作到Q頻段，對(duì)主面精度要求很高。該天線的俯仰框架(如圖6所示)與前面介紹的形式有所不同，該俯仰框架中將前述的俯仰十字框架設(shè)計(jì)成剛度更好的空間桁架結(jié)構(gòu)。同時(shí)將傘形支撐直接連接在該桁架結(jié)構(gòu)底部，而不是反射體(中心體)底部。該種結(jié)構(gòu)形式的俯仰框架由于未將俯仰大齒弧和俯仰軸承座對(duì)反射體的影響分離開，因此其俯仰框架必須要設(shè)計(jì)成高剛度才能平衡俯仰大齒弧和俯仰軸承座對(duì)框架整體不均衡支撐，從而均衡反射體的支撐剛度和變形。該種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)在于俯仰框架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，缺點(diǎn)在于俯仰框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，且很難有提升空間。該天線在俯仰角為64°預(yù)調(diào)后，在0°～90°范圍內(nèi)，吻合精度優(yōu)于0.18 mm(rms)，效果是非常理想的。

圖6 40 m俯仰架結(jié)構(gòu)

2.2 70 m天線俯仰架

70 m天線中，其俯仰框架結(jié)構(gòu)形式為標(biāo)準(zhǔn)的傘形支撐加俯仰十字框架的結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。由于該天線座架尺寸的限制，傘形支撐與輻射梁沒有像傘形支撐原理圖中，傘骨與輻射梁下弦成為一條直線，對(duì)結(jié)構(gòu)變形有影響，但在可控范圍內(nèi)。該天線在10°～70°范圍內(nèi)，吻合精度優(yōu)于0.4 mm(rms)，達(dá)到了比較理想的吻合效果。如果在該70 m天線上采用如前所述40 m天線的俯仰框架結(jié)構(gòu)形式，其精度將很難達(dá)到預(yù)期的效果。

圖7 70 m天線局部效果圖

2.3 某100 m天線俯仰框架

某100 m天線由于采用了小座架，兩俯仰軸距離較近，因此限制了其俯仰框架的尺寸。為了匹配天線中心體和座架之間的尺寸，該天線的俯仰框架采取了類似于前述40 m天線的結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示。為了給反射體背夾提供足夠的剛度，俯仰框架上部分桁架結(jié)構(gòu)高度達(dá)到3 m，最終達(dá)到了預(yù)期的精度指標(biāo)要求。該天線在38°預(yù)調(diào)后，天線在俯仰15°～85°范圍內(nèi)，其吻合精度能夠達(dá)到1.8 mm(rms)。

圖8 100 m俯仰架結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

從上面的分析可以得出以下結(jié)論：

1)俯仰架結(jié)構(gòu)對(duì)于大型天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到大型天線的保型效果和主面精度。

2)帶傘形支撐的俯仰架結(jié)構(gòu)對(duì)改善結(jié)構(gòu)變形均勻性、提高主反射面精度具有很好的效果。

3)俯仰架和反射體背架的連接結(jié)構(gòu)和支撐位置直接影響到兩者之間的傳力路線，關(guān)系到反射體背夾的支撐剛度和變形趨勢(shì)，影響到反射體的保型設(shè)計(jì)效果。

4)副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)和反射體背架的相互獨(dú)立支撐減小了該部分結(jié)構(gòu)對(duì)反射體的影響，提高了反射體的精度。但由于副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)和反射體背夾結(jié)構(gòu)的相互獨(dú)立，導(dǎo)致失去了副面(饋源)相對(duì)于主反射面的位置關(guān)系，因此，在設(shè)計(jì)副面(饋源)撐調(diào)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要匹配好該部分結(jié)構(gòu)和反射體結(jié)構(gòu)之間的變形，以達(dá)到天線良好的綜合性能指標(biāo)。

文中描述的幾種俯仰架結(jié)構(gòu)形式的變形精度均達(dá)到了指標(biāo)要求，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，在此就不再贅述。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，也可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)新型的俯仰架結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指標(biāo)要求。