SKA低頻天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

江 濤，陳元元，胡 峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

平方公里陣列(SKA)是正在建設(shè)的下一代最大的射電望遠(yuǎn)鏡，擬由約3 300面15 m口徑拋物面天線、250個(gè)直徑約56 m的中頻致密孔徑陣列，以及1 024個(gè)直徑為35 m的低頻稀疏孔徑陣列組成，分布在3 000 km范圍[1-2]。其中低頻稀疏孔徑陣列工作在50～675 MHz之間，采用對(duì)數(shù)周期天線形式，天線結(jié)構(gòu)尺寸大，且系統(tǒng)天線數(shù)量極其龐大，因此如何在滿足電訊要求及天線結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的前提下，同時(shí)兼顧工藝、裝配、運(yùn)輸和成本等各方面要素，實(shí)現(xiàn)天線單元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為低頻稀疏孔徑陣列系統(tǒng)(LFAA)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。本文結(jié)合SKA低頻天線試驗(yàn)子陣的研制，對(duì)SKA低頻天線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 子陣組成及指標(biāo)

SKA低頻天線試驗(yàn)子陣由16個(gè)低頻天線單元在直徑約8 m的圓內(nèi)隨機(jī)稀疏放置而成，每個(gè)天線單元包含4組對(duì)數(shù)周期振子、1組低噪放模塊以及1組光電轉(zhuǎn)換模塊。結(jié)合電訊仿真要求及實(shí)際使用工況，總結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：工作溫度，-40～+55 ℃；抗風(fēng)能力，風(fēng)速≤35 m/s，結(jié)構(gòu)不破壞；結(jié)構(gòu)變形，最大變形≤30 mm(20 m/s風(fēng)速)；運(yùn)輸性，包裝后可滿足公路、鐵路及空運(yùn)運(yùn)輸形式。

2 結(jié)構(gòu)方案選擇

現(xiàn)代天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是前期方案策略評(píng)估、中期力學(xué)仿真與電磁仿真相輔相成，以及后期實(shí)物測(cè)試結(jié)果反饋結(jié)構(gòu)再優(yōu)化的復(fù)雜過程。因此在前期方案選擇階段，需要從工藝性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性等各方面權(quán)衡，以得到較優(yōu)方案，縮短整體研發(fā)周期[3-5]。

2.1 結(jié)構(gòu)方案Ⅰ

方案I天線單元由立柱、4組振子、塑料支架、塑料支撐、低噪放、光電模塊以及頂蓋等組成，如圖1所示。低噪放模塊安裝在塑料支架內(nèi)部，通過4個(gè)彈片與振子連接實(shí)現(xiàn)饋電，振子由φ36 mm鋼管與9根輻射棒焊接而成。塑料支架插入鋼制立柱后鉚接固定，4組振子與塑料支架螺栓連接后，再通過塑料支撐與立柱連接，保持角度和方向，形成完整單元。

圖1 方案I天線單元結(jié)構(gòu)組成

天線單元包絡(luò)尺寸為φ1 576 mm×1 835 mm，通過立柱底部法蘭與地面連接完成陣地安裝，光電模塊所連接的電纜從立柱側(cè)壁孔引出。

2.2 結(jié)構(gòu)方案Ⅱ

方案Ⅱ天線單元由水泥基座、4組振子、塑料管、塑料支架、塑料支撐、低噪放、光電模塊以及頂蓋組成，如圖2所示。與方案Ⅰ一樣，低噪放和光電模塊均放置于塑料支架內(nèi)，通過螺釘與振子頂部連接實(shí)現(xiàn)饋電。4組振子頂部與塑料支架螺接固定，底部與水泥基座上預(yù)埋螺栓連接，再通過4組塑料支撐與中間塑料管連接為一體，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。振子與方案Ⅰ振子不同，由鋼管+塑料棒+支腳裝配而成，保證與地面之間的絕緣。

圖2 方案Ⅱ天線單元結(jié)構(gòu)組成

天線單元包絡(luò)尺寸為φ1 489 mm×1 943 mm，陣地安裝時(shí)，天線單元直接落座地面即可，內(nèi)部光電模塊所連接電纜從中間塑料管引出，同時(shí)配格蘭頭進(jìn)行密封。

2.3 方案對(duì)比

上述2種方案從結(jié)構(gòu)外形上看基本類似，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1所示。

表1 2種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

對(duì)比上述方案優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮工藝性、經(jīng)濟(jì)性以及安裝架設(shè)工作量，方案Ⅱ?yàn)檩^優(yōu)方案，開展進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)方案Ⅱ關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝配工藝性設(shè)計(jì)

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，考慮到饋電連接的可靠性，饋電部分裝入塑料支架內(nèi)獨(dú)立封裝為模塊作為最優(yōu)選擇。因此將振子實(shí)際劃分為2個(gè)部分，一部分由輻射板和3根輻射棒焊接而成，其與塑料支架、頂蓋、低噪放以及光電模塊裝配為一體，封裝為獨(dú)立的功能模塊，具體組成如圖3所示。輻射板與低噪放之間由4顆沉頭螺釘連接，為防止低噪放受力，輻射板卡入塑料支架槽內(nèi)限位。

圖3 頂部獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)組成

振子另一部分則由φ30 mm×2 mm鋼管，5根輻射棒，尼龍棒以及支腳組成，如圖4所示。尼龍棒與支腳和鋼管之間均過盈插入連接，輔以緊定螺釘固定，輻射棒則焊接在鋼管對(duì)應(yīng)位置。

圖4 振子部分結(jié)構(gòu)組成

天線單元另一處關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)在于塑料支撐與振子之間的裝配結(jié)構(gòu)，如圖5所示。塑料支撐分為支撐a、支撐b和壓板3種零件，支撐a和支撐b相互螺栓連接，卡住中間塑料管和4根振子金屬管，塑料管上安裝2個(gè)卡箍限位，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。支撐a和支撐b上均設(shè)計(jì)卡槽與最下層輻射棒配合，再通過壓板固定，保證輻射棒的剛度，控制振子變形。

圖5 塑料支架結(jié)構(gòu)組成

上裝功能件落座基礎(chǔ)為水泥基座，通過在模具內(nèi)鋪置鋼筋框架、預(yù)埋螺栓以及拉手，再澆筑混凝土而成，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。為防止基座內(nèi)積水，基座四角均設(shè)計(jì)有凸臺(tái)與地面接觸，同時(shí)基座上預(yù)留4個(gè)孔，以供陣地布置時(shí)，可選擇打地樁與地面固定。

圖6 水泥基座

3.2 運(yùn)輸性設(shè)計(jì)

對(duì)于SKA低頻天線這種大規(guī)模、大尺寸的天線，結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸性設(shè)計(jì)極為重要，合理的運(yùn)輸性設(shè)計(jì)可大幅降低運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝成本。

如3.1節(jié)內(nèi)容所示，本天線單元運(yùn)輸狀態(tài)可拆分為頂部模塊、振子、水泥基座、塑料支撐和塑料管5個(gè)部分獨(dú)立運(yùn)輸。頂部模塊預(yù)裝電纜繞著模塊盤成一圈，裝箱運(yùn)輸，如圖7所示。振子則排成兩排交叉倒立于運(yùn)輸木架上，外部纏包裝膠帶防護(hù)及加固，裝入貨車內(nèi)運(yùn)輸，如圖8所示。

圖7 頂部模塊運(yùn)輸示意 圖8 振子運(yùn)輸示意

另外水泥基座則可進(jìn)行碼垛運(yùn)輸，或者在陣地現(xiàn)場(chǎng)制作，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

本天線單元的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需從材料選擇、表面處理和結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行[6-7]。天線單元的材料體系和表面處理方式如表2所示。

表2 材料體系和表面處理方式

單元主要金屬構(gòu)件為Q235鋼管和鋼板，材料為市場(chǎng)常見材料，考慮到易腐蝕特性，先采用熱浸鋅電鍍處理，再采用環(huán)氧鋅黃底漆+環(huán)氧云鐵中漆+丙烯酸聚氨酯磁漆的方式進(jìn)行涂覆處理，確保鋼制件的環(huán)境適應(yīng)性[8]。

而塑料支架等注塑件選用丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)，該種材料具有卓越的熱穩(wěn)定性，優(yōu)異的耐候性、抗老化性和耐變黃性[9]，已在各種工業(yè)產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用。另外塑料管選用市場(chǎng)常見的PVC管，其力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)穩(wěn)定性好，適合作為輔助承力件。

在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，還需合理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)才能保證良好的環(huán)境適應(yīng)性，主要體現(xiàn)在：

a.低噪放和光電模塊封裝在塑料支架內(nèi)，穿入電纜均用格蘭頭密封防護(hù)，保證電子器件的良好防護(hù)環(huán)境。

b.振子鋼管與尼龍棒過盈連接的同時(shí)，在連接位置處涂膠密封，保證鋼管內(nèi)部可靠防護(hù)。

4 仿真分析

力學(xué)仿真分析是該類大型天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)，本天線單元主要需要校核的工況是20 m/s風(fēng)載荷條件下的剛度和35 m/s風(fēng)載荷條件下的強(qiáng)度，針對(duì)最終模型的仿真結(jié)果如圖9所示[10]。

由圖9可知，20 m/s風(fēng)載荷作用下，天線單元變形27.6 mm<30 mm，滿足剛度指標(biāo)要求。而在35 m/s風(fēng)載荷時(shí)，天線單元最大應(yīng)力為105 MPa，位置在最下層輻射棒根部，小于其所用材料Q235屈服應(yīng)力，滿足強(qiáng)度指標(biāo)要求。

圖9 力學(xué)仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

針對(duì)優(yōu)選方案，在保證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)的方法保證了天線單元優(yōu)良的裝配工藝性及運(yùn)輸性，同時(shí)在材料選擇、表面處理以及合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)方面解決了環(huán)境適應(yīng)性問題，建立了SKA低頻天線工程化實(shí)現(xiàn)的路徑。

目前，該天線試驗(yàn)陣已完成實(shí)物研制，結(jié)構(gòu)裝配效果良好，但還未進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，是否能夠滿足SKA系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境要求還未有定論。但是該天線的設(shè)計(jì)過程對(duì)于該類型大尺寸對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，同時(shí)其所建立的工程化路徑對(duì)于SKA工程發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。