某車載雷達(dá)天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張燕 陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 周立凡 陜西電子信息研究院有限公司

以前的雷達(dá)開發(fā)周期長、設(shè)計(jì)方法比較傳統(tǒng)、成本高，它已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展。現(xiàn)在的車載雷達(dá)系統(tǒng)在行駛過程中雷達(dá)天線受到不同因素的影響，其的零件會(huì)受到損壞，為此為能夠真實(shí)模擬出雷達(dá)在形式過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，在其中引進(jìn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)，然后對(duì)其展開研究和探討。

一、國內(nèi)外車載雷達(dá)天線研究現(xiàn)狀

（一）國內(nèi)

在中國，雷達(dá)天線的發(fā)展是高度機(jī)密的。在我國的相應(yīng)研究部門針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，其中包括雷達(dá)天線、雷達(dá)升降機(jī)構(gòu)和雷達(dá)調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)。它主要是通過分析方法和經(jīng)驗(yàn)公式來應(yīng)用的。近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)采用有限元方法對(duì)雷達(dá)的單個(gè)部件如雷達(dá)罩、雷達(dá)機(jī)柜、雷達(dá)反射鏡等進(jìn)行分析，有的在CFD技術(shù)模擬風(fēng)荷載流暢作用下，雷達(dá)天線進(jìn)行了局部優(yōu)化[1]；由于雷達(dá)系統(tǒng)是一種高度集成的機(jī)電系統(tǒng)，其特殊的安全性客觀地使雷達(dá)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中相對(duì)保守；對(duì)于存在于雷達(dá)系統(tǒng)的問題，專業(yè)人員尚未形成完整的系統(tǒng)理論，只能通過經(jīng)驗(yàn)定性解決；整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真剛剛開始，數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。使用數(shù)值模擬結(jié)果仍有一些缺點(diǎn)，以指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)。基于以上情況，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)值模擬需要進(jìn)一步擴(kuò)大，與船載雷達(dá)和衛(wèi)星傳承雷達(dá)相比，車輛傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展更成熟，其應(yīng)用范圍更廣泛。數(shù)值研究可以填補(bǔ)理論差距，指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并為工程應(yīng)用提供參考。我國的雷達(dá)經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期。一是從 1949 年到 1953 年。新的中國剛剛成立，其產(chǎn)業(yè)基地相對(duì)較弱。這時(shí)，我們主要啟動(dòng)了基本行業(yè)，對(duì)日本和美國留下的雷達(dá)進(jìn)行了維護(hù)和研究，然后進(jìn)入了試驗(yàn)階段；二是初始發(fā)展階段。從1953年底到20世紀(jì)60年代初，當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的初步發(fā)展。由于政治關(guān)系，該國主要用前蘇聯(lián)風(fēng)格雷達(dá)和模仿前蘇聯(lián)風(fēng)格雷達(dá)；三是在20世紀(jì)60年代初和20世紀(jì)70年代中期，當(dāng)前獨(dú)立研發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，新技術(shù)的應(yīng)用，以及科研小組的持續(xù)增長，獨(dú)立設(shè)計(jì)是在此階段的標(biāo)志；四是從70年代末到現(xiàn)在，是一個(gè)發(fā)展和完善的時(shí)期。在此期間，一些雷達(dá)技術(shù)突破了關(guān)鍵問題，產(chǎn)品種類不斷增加，國際市場化做得很好。部分雷達(dá)技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，打破了美國、俄羅斯和歐洲對(duì)雷達(dá)控制技術(shù)的壟斷。傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)主要是機(jī)械式的，即反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，而發(fā)射器、信號(hào)接收器、信號(hào)放大器、伺服系統(tǒng)和微波發(fā)生器不動(dòng)。在反求工程原理的指導(dǎo)下，現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。相控陣?yán)走_(dá)是一種集相頻轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理器于一體的反射鏡，其有著大容量，高功率。它可以在活動(dòng)陣列中掃描電子，并且具有許多功能。它可以直接傳輸能量并在空中接收RF能量，并且還具有其他RF功能。然而，改進(jìn)的線雷達(dá)的質(zhì)量沉重和不方便。一旦攻擊，整個(gè)發(fā)射機(jī)就會(huì)失去戰(zhàn)斗性能。相對(duì)來說，雷達(dá)的兩種工作方法很好，但當(dāng)前虛擬風(fēng)格技術(shù)的快速發(fā)展和強(qiáng)大的微電子技術(shù)，戰(zhàn)爭模式的變化，信息戰(zhàn)爭和速度要求正在加速。其已經(jīng)逐漸的成為戰(zhàn)場雷達(dá)的主流。美國海軍部署了空間盾牌防御系統(tǒng)，它使用了相控雷達(dá)系統(tǒng)。現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)逐漸形成了多功能，傳感器融合，高自動(dòng)化程度，高靈敏度，隱身，防腐，雷達(dá)抗干擾，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，戰(zhàn)場IFF，高可靠性等的特點(diǎn)。研究方向國內(nèi)雷達(dá)系統(tǒng)逐步過流向復(fù)合材料和精密引導(dǎo)，并在精密雷達(dá)的開發(fā)中，它逐漸實(shí)現(xiàn)了串行化，高可靠性等泛化和模塊化。能夠設(shè)計(jì)和制造與現(xiàn)代設(shè)計(jì)和分析概念的雷達(dá)，逐步整合科學(xué)研究產(chǎn)品。

（二）國外

在國外，美國雷達(dá)的設(shè)計(jì)和制造都是數(shù)字和復(fù)合材料，特別是純硅，光纖，玻璃纖維增強(qiáng)塑料等技術(shù)廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)。因此，匹配材料結(jié)構(gòu)的諧振頻率和固有頻率，并且結(jié)構(gòu)的重量大大降低。蜂窩結(jié)構(gòu)在地雷達(dá)三個(gè)元素基座中的應(yīng)用，雷達(dá)天線具有強(qiáng)烈的環(huán)境適應(yīng)性。在電性能方面，它可以獲得更高的頻帶，并且具有良好的屏蔽和電信號(hào)的傳輸性能。美國研究人員開發(fā)了磁性材料。這種材料在損失的前提下使美國雷達(dá)更便宜。在相位陣列雷達(dá)中，特別是在載體中，通過被動(dòng)礦井從被動(dòng)礦井開發(fā)到固態(tài)有源陣列雷達(dá)的相控陣?yán)走_(dá)，其特征在于大量的發(fā)射器分配系統(tǒng)和柔性數(shù)字光束；特別是光纖的應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)中的技術(shù)使整個(gè)相控制的無線電性能實(shí)現(xiàn)了良好的基礎(chǔ)，以進(jìn)一步降低體積，重量，成本和提高可靠性和可維護(hù)性。綜上所述，國外在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用CAE仿真技術(shù)，然后采用到了一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)的方法，同時(shí)總結(jié)了大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面技術(shù)已經(jīng)成熟[3]。此外，國外在雷達(dá)新材料方面取得了新突破，新材料和復(fù)合材料在雷達(dá)中的應(yīng)用也取得了初步成果。這方面的研究才剛剛起步，研究還不成熟。除了新材料的研發(fā)，國外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬風(fēng)格技術(shù)也取得了新的突破。在未來，雷達(dá)正在沿重量輕，小型化，泛化，模塊化和集成方向發(fā)展，特別是在相控制輻射中。輻射源有三種：USAN/SPS48E，英國的AWS 9和S1840，意大利的職位30s和荷蘭的T系列；德國戴姆勒公司和梅賽德斯奔馳航空公司公司開發(fā)了激光檢測雷達(dá)。美國軍隊(duì)和空軍開發(fā)了紅外傳感器激光引導(dǎo)雷達(dá)和三維成像技術(shù)雷達(dá)，在戰(zhàn)爭和實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)獲得了一個(gè)良好的效果。

二、虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

（一）簡析虛擬樣機(jī)技術(shù)

21世紀(jì)以來動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)被不斷發(fā)展，虛擬技術(shù)就是其中之一，其基礎(chǔ)是建立在傳統(tǒng)的經(jīng)典物理、現(xiàn)代計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)上，依照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助分析，繼而剖析機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)，精確地計(jì)算坐標(biāo)，系統(tǒng)的速度和加速度，隨時(shí)求解生成方程，確定各部分所需的力和反作用力，獲得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性后，可以與相關(guān)軟件交互，建立可視化的集成工程仿真系統(tǒng)。通過虛擬風(fēng)格技術(shù)，機(jī)械工程師可以在機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械分析，機(jī)械控制，機(jī)械加工等領(lǐng)域共享工程通信平臺(tái)，從而減少傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)師的勞動(dòng)，大大簡化了產(chǎn)品的過程，縮短循環(huán)，減少成本，且可以使得產(chǎn)品質(zhì)量和綜合性能得到改善。虛擬樣機(jī)技術(shù)與CAD技術(shù)的有機(jī)結(jié)合使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善和發(fā)展，應(yīng)用前景廣闊，這項(xiàng)技術(shù)的普及使人們能夠在設(shè)計(jì)中看到產(chǎn)品，感受自己的研發(fā)過程，交互能力進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)、過程，虛擬原點(diǎn)技術(shù)在工程技術(shù)中的應(yīng)用有著模塊化、集成化、應(yīng)用化的特點(diǎn)[4]。

（二）概述車載天線動(dòng)力學(xué)

汽車是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，具有多種自由度。配備汽車天線的越野車是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)，具有多種自由度。汽車和天線的性能基于合理的物理力學(xué)模型。汽車機(jī)械性能的研究更智能，多樣化，最初形成了汽車處理舒適性分析的理論體系。仿真研究從2自由度懸架系統(tǒng)到5自由度汽車，甚至29自由度汽車動(dòng)力學(xué)仿真研究，大多是在傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)、迪迪埃定律、牛頓定律、動(dòng)量定律、拉格朗日定律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)微分方程的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代動(dòng)力模型法是在傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多種現(xiàn)代算法，加入微分方程和方差方程，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算方法，建立相應(yīng)的動(dòng)力方程，車輛的一些特殊部件，如彈簧、減振器、輪胎等，都是非線性系統(tǒng)，在實(shí)際的建模和相應(yīng)的模型仿真中，或多或少地把它們看作線性系統(tǒng)，或者把物體的某些參數(shù)，如剛度、阻尼等看作線性變化，由于非線性理論在實(shí)際的研究和發(fā)展中沒有大的突破，對(duì)非線性問題的研究只是通過統(tǒng)計(jì)線性問題對(duì)非線性問題的一般表達(dá)。從模型的控制性和準(zhǔn)確性來看，由于評(píng)價(jià)體系的差異，非阻力因素太多，沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于復(fù)雜非線性模型的獲取和控制，由于對(duì)一些復(fù)雜的元件進(jìn)行了過多的簡化，失去了原有的特性，導(dǎo)致了原有的情況以及實(shí)驗(yàn)與仿真之間的差距過大。汽車中的液體成分也表現(xiàn)出高度的非線性。由于液體本身的特性，如密度、粘度等，在非線性控制方面存在不足。在車用天線上，有多種車用槍和車用火箭。車裝天線方面，車炮和車裝火箭炮的型號(hào)很多，造型的程度比較大，一般都是用軍用越野車裝載天線，所以在性能方面存在很大差異，如裝載、駕駛以及加工性能，所以越野車商用軟件公司應(yīng)加強(qiáng)對(duì)模型仿真方面的分析工作，如懸架系統(tǒng)屬于單個(gè)模塊研究方向，且不是完全非線性的，匹配系統(tǒng)中包括越野車和天線，所以影響天線系統(tǒng)之一因素就是車輛仿真失真。

三、結(jié)束語

由上可知，我國車載天線動(dòng)力學(xué)還處在一個(gè)起步階段，在傳統(tǒng)建模法以及模態(tài)分析法的前提下結(jié)合到非線性建模方法與控制，然后將車輛底盤與天線系統(tǒng)適當(dāng)進(jìn)行匹配，是未來研究的重點(diǎn)。