天線結(jié)構(gòu)型式對雷達(dá)整機(jī)性能提升的方案探討

李 成 丁 飛

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

1887年著名物理學(xué)家赫茲為驗(yàn)證數(shù)學(xué)家麥克斯韋預(yù)言的電磁波設(shè)計(jì)了第一個(gè)天線。之后，隨著對遠(yuǎn)洋通信、天地通信、空天通信等迫切需求以及無線電電子學(xué)科快速發(fā)展，天線的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。歷經(jīng)百年的發(fā)展與演變，天線已是無線電通信、廣播、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙測測控等各類無線電通信系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備。

尤其在雷達(dá)領(lǐng)域，雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝是雷達(dá)研制過程中的重要環(huán)節(jié)，它對保證雷達(dá)的優(yōu)良性能起著重要的作用。精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是雷達(dá)性能和質(zhì)量的重要保證[1]。天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統(tǒng)。由于天線的型式與種類繁多，天線的用途、工作狀態(tài)、型式和尺寸也不相同，對其要求也各不相同。

1 雷達(dá)對天線的要求及技術(shù)指標(biāo)

1.1 雷達(dá)對天線的要求

在雷達(dá)領(lǐng)域，天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號處理器是其必不可缺的子系統(tǒng)。由于其用途、工作狀態(tài)、應(yīng)用環(huán)境和場合的不同，每一種情況都有它的特殊要求，但是歸納起來，總有幾個(gè)方面是必須考慮的[2]。

1)天線性能及工作狀態(tài)的的要求

天線應(yīng)滿足雷達(dá)整機(jī)的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)要求的各項(xiàng)電性能指標(biāo)。這些指標(biāo)決定了天線的型式與尺寸大小。根據(jù)雷達(dá)的用途不同，天線的工作狀態(tài)分為固定式和運(yùn)動(dòng)式等兩種。

2)天線結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的要求

①天線在各種載荷作用下，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證不發(fā)生破壞；

②天線在工作時(shí)，應(yīng)具有足夠的剛度，即在各種載荷作用下，結(jié)構(gòu)變形應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)；

③結(jié)構(gòu)重量要輕。重量與強(qiáng)度或剛度的要求往往是矛盾的，因此選擇材料和結(jié)構(gòu)型式應(yīng)力求先進(jìn)，如采用薄壁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度大而重量輕的材料等。

④結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)阻力盡量小。

3)天線結(jié)構(gòu)可靠性及制造工藝的要求

天線應(yīng)能適應(yīng)各種環(huán)境條件與戰(zhàn)爭條件，應(yīng)能防腐蝕、耐熱、耐低溫等。先進(jìn)的制造工藝支撐著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，是雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的有效保證。

1.2 二次雷達(dá)對天線的要求及技術(shù)指標(biāo)

二次雷達(dá)具有作用距離遠(yuǎn)及較好的方位精度。同時(shí)由其機(jī)場區(qū)域飛機(jī)密度大，為保證航管的可靠性，則要求二次雷達(dá)具有較高的數(shù)據(jù)率，即應(yīng)有較高的天線轉(zhuǎn)速和重復(fù)頻率。為實(shí)現(xiàn)二次雷達(dá)的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，一般采用全波振子為基本單元的和差天線陣[3]。在水平面內(nèi)要求強(qiáng)方向性，就要求天線陣在水平面內(nèi)排列的單元多，尺寸大；在鉛垂面內(nèi)要求足夠的覆蓋角度，則要求天線陣在垂直面內(nèi)尺寸小。故二次雷達(dá)天線陣采用大垂直孔徑天線[4](其天線結(jié)構(gòu)總體見圖1所示)。但由于該類天線通常轉(zhuǎn)速快且自身慣量大，僅僅由于本身重量引起的變形就可能超出精度要求，面對機(jī)場環(huán)境，同時(shí)還需具備高抗風(fēng)能力和高防護(hù)性能等特性，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

依據(jù)二次雷達(dá)對天線的要求，天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1)天線型式：柵欄式陣面天線結(jié)構(gòu)；

2)天線口徑(長×寬)：7900mm×1700mm；

①室外工作：360°方位旋轉(zhuǎn)工作；

②抗風(fēng)能力： 工作風(fēng)速≤45m/s；

3)天線陣面精度：σ<0.68mm(均方差)；

4)在最大工作載荷(風(fēng)速45m/s)下天線結(jié)構(gòu)的不發(fā)生塑性變形，天線結(jié)構(gòu)各部分均不產(chǎn)生強(qiáng)度失效，強(qiáng)度校核安全系數(shù)不小于1.3[5]。

1.3 天線結(jié)構(gòu)材料的選擇

按照工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度滿足要求時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本上能夠滿足要求。經(jīng)過綜合比較并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，天線列饋輻射單元、天線反射棒、天線箱體中的骨架、蒙皮及天線支架采用5A06鋁合金，天線箱體中的支耳、俯仰機(jī)構(gòu)采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

表1 材料力學(xué)性能

1.4 天線風(fēng)載荷計(jì)算

天線工作時(shí)載荷有兩種，一種是垂直方向載荷，取決于設(shè)備自身的重量；另一種是水平方向載荷，主要是天線在極限工況下的風(fēng)載荷。整機(jī)系統(tǒng)要求在45m/s風(fēng)速下天線能正常工作不發(fā)生塑性變形。由風(fēng)力計(jì)算公式[2]：

(1)

式(1)中，F(xiàn)為風(fēng)阻力；v為風(fēng)速；A為二次天線特征面積13.6m2；ρ0為空氣密度(計(jì)算時(shí)取0.125kg/m3)；CF為水平風(fēng)阻力系數(shù)，不同風(fēng)向角時(shí)的水平風(fēng)阻力系數(shù)見表2。

表2 風(fēng)向角與水平風(fēng)阻力系數(shù)對應(yīng)表

風(fēng)向角(°)CF風(fēng)向角(°)CF風(fēng)向角(°)CF00.328750.291500.47150.34900.311650.41300.41050.3481800.399450.421200.438600.3831350.48

由表2可知，風(fēng)向角為135°時(shí)，水平風(fēng)阻系數(shù)最大為0.48，與此相應(yīng)的風(fēng)阻力也最大。根據(jù)天線迎風(fēng)面特征面積A和風(fēng)阻系數(shù)CF，由風(fēng)力計(jì)算公式計(jì)算出天線結(jié)構(gòu)在45m/s風(fēng)速下的負(fù)載為8.5kN。其天線風(fēng)載方向示意圖見圖2。

圖2 雷達(dá)天線風(fēng)載方向示意圖

2 A方案：框架鉚接天線的力學(xué)分析

2.1 框架鉚接天線的結(jié)構(gòu)型式

本方案采用空間桁架鉚接骨架箱體結(jié)構(gòu)。根據(jù)該方案天線結(jié)構(gòu)按照力學(xué)模型主要分為三部分：最前端是由列饋輻射單元、反射棒等單元組成的天線陣面；中間是天線箱體，承載天線陣面及箱體內(nèi)部饋電網(wǎng)絡(luò)；天線箱體下方是由天線支架、支耳、俯仰機(jī)構(gòu)等單元組成的整個(gè)天線支撐結(jié)構(gòu)。該方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 A方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 力學(xué)分析

1)天線自重

在考慮結(jié)構(gòu)自重影響的工況下，鉚接箱體的重量為440 kg，施加慣性載荷9.8 m/s2。

P=mg=440kg×9.8m/s2=4410N(質(zhì)量M=440kg)

(2)

2)仿真分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)規(guī)范及技術(shù)條件要求，當(dāng)風(fēng)速≤45m/s時(shí)，應(yīng)保證二次天線正常工作，因此主要計(jì)算天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如圖4至圖6所示，天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置的最大應(yīng)力109.9MPa，天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置的最大應(yīng)力197MPa。

圖4 A方案天線箱體45m/s風(fēng)速下骨應(yīng)力分布

圖5 A方案天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置應(yīng)力云圖

圖6 A方案天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置應(yīng)力云圖

通過計(jì)算天線陣面的均方差數(shù)值，如圖7所示，在天線陣面上均勻選取105個(gè)點(diǎn)的變形數(shù)值，求得隨機(jī)誤差及平均誤差，代入天線陣面均方差計(jì)算公式(3)：

(3)

圖7 A方案天線陣面誤差取值模型(風(fēng)速45m/s)

式(3)中：si為隨機(jī)誤差；s0為平均誤差；n取值數(shù)。

通過以上力學(xué)仿真分析，可以得出天線陣面精度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論(見表3)及天線強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論(見表4)。

表3 天線陣面精度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

計(jì)算工況最大變形計(jì)算結(jié)果(均方差)指標(biāo)要求(均方差)結(jié)論風(fēng)速45m/s5.79mm0.4653<0.68滿足精度指標(biāo)要求

表4 天線強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

計(jì)算工況天線材料屈服強(qiáng)度(MPa)最大應(yīng)力(MPa)安全系數(shù)結(jié)論風(fēng)速45m/s鋁合金5A06155109.91.4不銹鋼1Cr18Ni9Ti2751971.4滿足安全要求

2.3 框架鉚接天線存在的不足

本方案天線箱體采用空間桁架骨架外包鋁蒙皮鉚接箱體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品加工技術(shù)成熟，但其零部件過多，導(dǎo)致加工周期長，裝配流程繁瑣；焊縫以及鉚接點(diǎn)過多，只能采用帶膠鉚接密封方式；隨時(shí)間增長容易出現(xiàn)銹蝕、脫膠、漏水等缺陷。同時(shí)天線箱體外表面蒙皮鉚釘連接處打膠鼓包大小不一，影響美觀及可靠性。

3 B方案：整體焊接天線的力學(xué)分析

3.1 整體焊接天線的結(jié)構(gòu)型式

本方案將鉚接箱體改為焊接箱體，箱體整體采用鋁合金材料，焊接采用攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦焊這種連接技術(shù)與傳統(tǒng)概念中的摩擦焊方法相似，不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入關(guān)鍵的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，同時(shí)對材料攪拌摩擦來完成焊接。該技術(shù)的優(yōu)越性：沒有氣孔出現(xiàn)的可能性；在焊接鋁合金時(shí)不會(huì)產(chǎn)生與熔化焊有關(guān)的焊接缺陷，也不會(huì)降低焊接接頭的性能；焊后變形小、殘余應(yīng)力??；焊接成本低、效率高。本方案箱體整體采用薄鋁板及鋁型材焊接成形，其余部分的安裝接口尺寸均和鉚接箱體相同。該方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 B方案天線箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 力學(xué)分析

1)天線自重

在考慮結(jié)構(gòu)自重影響的工況下，焊接箱體的重量為400kg，施加慣性載荷9.8m/s2。

P=mg=400kg×9.8 m/s2=3930N(質(zhì)量M=400kg)

(4)

2)仿真分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)二次監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)規(guī)范及技術(shù)條件要求，當(dāng)風(fēng)速≤45m/s時(shí)，應(yīng)保證二次天線正常工作，因此主要計(jì)算天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如圖9至圖11所示，天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置的最大應(yīng)力150MPa，天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置的最大應(yīng)力75MPa。

圖9 B方案天線箱體45m/s風(fēng)速下骨架應(yīng)力分布

圖10 B方案天線結(jié)構(gòu)鋁合金位置應(yīng)力云圖

圖11 B方案天線結(jié)構(gòu)不銹鋼位置應(yīng)力云圖

圖12 B方案天線陣面誤差取值模型(風(fēng)速45m/s)

通過計(jì)算天線陣面的均方差數(shù)值，如圖12所示，在天線陣面上均勻選取105個(gè)點(diǎn)的變形數(shù)值，求得隨機(jī)誤差及平均誤差，代入天線陣面均方差計(jì)算公式(5)。

(5)

式(5)中：si為隨機(jī)誤差；s0為平均誤差；n取值數(shù)。

通過以上力學(xué)仿真分析，可以得出天線陣面精度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論(見表5)及天線強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論(見表6)。

表5 天線陣面精度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

計(jì)算工況最大變形計(jì)算結(jié)果(均方差)指標(biāo)要求(均方差)結(jié)論風(fēng)速45m/s2.5mm0.5129<0.68滿足精度指標(biāo)要求

表6 天線強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

計(jì)算工況天線材料屈服強(qiáng)度(MPa)最大應(yīng)力(MPa)安全系數(shù)結(jié)論風(fēng)速45m/s鋁合金5A0615577.622.0不銹鋼1Cr18Ni9Ti27552.695.2滿足安全要求

3.3 與傳統(tǒng)鉚接天線箱體的對比

本方案天線箱體采用薄鋁板整體焊接結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，加工周期短，整體密封性好且適合批量生產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀。該方案天線箱體整體外觀如圖13所示。鉚接箱體和焊接箱體的性能指標(biāo)對比如表7。

圖13 B方案天線箱體整體外觀圖

表7 鉚接箱體和焊接箱體的性能指標(biāo)對比

名稱A方案-鉚接箱體B方案-焊接箱體結(jié)構(gòu)形式采用空間桁架鉚接采用鋁板整體焊接天線口徑(長×寬)7900mm×1700mm7900mm×1700mm零部件數(shù)量83個(gè)品種約450件13個(gè)品種約49件結(jié)構(gòu)及制造工藝零部件數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、加工周期較長、密封膠防雨壽命有限、鉚接結(jié)構(gòu)外形凸起影響美觀等問題采用成熟制造工藝,易于批產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀制造成本及周期成本較高,加工周期較長成本、制造周期優(yōu)勢明顯天線質(zhì)量440kg400kg天線陣面精度(相同工況下)σ=0.4653<0.68mm(均方差)σ=0.5129<0.68mm(均方差)天線整體強(qiáng)度(相同工況下)鋁合金安全系數(shù)為1.4>1.3鋁合金安全系數(shù)為2.0>1.3

4 結(jié)束語

針對二次雷達(dá)傳統(tǒng)鉚接陣列天線設(shè)計(jì)中零部件數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、鉚接點(diǎn)過多易出現(xiàn)銹蝕、脫膠、漏水等不足，提出采用鋁板整體焊接的改進(jìn)方案，并進(jìn)行力學(xué)分析及性能指標(biāo)對比，理論分析表明改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，整體密封性好且

適合批量生產(chǎn)、防雨性良好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程的驗(yàn)證，改進(jìn)方案確實(shí)存在較大優(yōu)勢。這為陣列天線的設(shè)計(jì)提供了新的改進(jìn)思路，并為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了新的解決方案。