某車載天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

張李軍，王 晨，顧葉青，周小龍

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

有源相控陣天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其高功率、高效率的本質(zhì)特征為大幅提升雷達(dá)作用距離提供了最有效的技術(shù)途徑[1]，已成為當(dāng)今相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的主流方向[2]。有源相控陣天線是典型的復(fù)雜電子機(jī)械裝備，通常由天線單元組合、T/R組件、電源模塊、饋線網(wǎng)絡(luò)模塊、熱控管網(wǎng)以及作為結(jié)構(gòu)支撐基礎(chǔ)的天線骨架等組成[1]。其中，天線單元與T/R組件之間需實(shí)現(xiàn)快速互連，以滿足維修性與互換性的要求[3–4]。此外，也要求電源網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)等能快速方便地實(shí)現(xiàn)互連[5–6]。盲插互連技術(shù)是將一對(duì)具有盲插對(duì)接功能的電連接器分別裝在一個(gè)固定面板和一個(gè)可移動(dòng)模塊上，通過移動(dòng)模塊直接實(shí)現(xiàn)電連接器之間互連的技術(shù)[3–6]。

盲插互連可以使天線陣面獲得更高的集成度，可實(shí)現(xiàn)天線陣面結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，從而提高雷達(dá)的綜合性能，而且無引線對(duì)接技術(shù)還使天線陣面更簡(jiǎn)潔美觀。不過，盲插互連的高精度需求對(duì)天線陣面及天線骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文介紹了某車載有源相控陣天線陣面高集成和功能模塊化的設(shè)計(jì)方法，采用內(nèi)外框架拼裝形式的新型骨架，既保證了天線陣面的剛強(qiáng)度，又滿足了盲插互連的高精度需求，而且還可縮短研制周期，降低研制成本，為天線陣面的高集成設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 天線陣面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某車載有源相控陣天線陣面（圖1）包括天線單元組合、天線骨架、T/R組件、陣面電源、饋線網(wǎng)絡(luò)、冷卻網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。該天線根據(jù)陣面上的設(shè)備組成及設(shè)備之間的互連關(guān)系，結(jié)合可維修性、測(cè)試便利性和可靠性，采用了高集成和功能模塊化設(shè)計(jì)。由功能結(jié)構(gòu)一體化冷卻面板替代傳統(tǒng)方案的不銹鋼冷卻管網(wǎng)，由盲插互連的饋線綜合層替代傳統(tǒng)方案的電纜組件直插式結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)天線陣面，其厚度減小了一半，質(zhì)量減輕了40%，從而提高了雷達(dá)設(shè)備的高機(jī)動(dòng)性。在天線陣面布局上，將若干個(gè)T/R組件集成為一個(gè)具有獨(dú)立功能的子陣面艙室模塊。天線陣面上的設(shè)備都安裝在天線骨架的前端或后端，骨架（陣面的承載結(jié)構(gòu)）的逐級(jí)定位高精度設(shè)計(jì)保證了陣面上設(shè)備之間盲插互連的可靠性。

圖1 某車載有源相控陣天線陣面外形

天線面板將天線骨架分隔為前艙和后艙，前艙布置天線單元組合，后艙布置T/R組件及后端的饋線網(wǎng)絡(luò)。前艙由一體化多功能冷卻面板上統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)保證盲插的高精度要求，實(shí)現(xiàn)T/R組件在前端與天線單元組合及冷卻面板的無引線互連。后艙通過饋線綜合層分配和匯總電訊信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)每一個(gè)子陣面艙室在功能上的獨(dú)立。

2 天線骨架設(shè)計(jì)

天線骨架內(nèi)部由橫梁和縱梁分隔成具有獨(dú)立功能的子陣面艙室（圖2），每個(gè)子陣面艙室包含有源T/R組件、饋線網(wǎng)絡(luò)及天線單元組合等。T/R組件的上、下兩側(cè)通過浮動(dòng)盲插形式實(shí)現(xiàn)與饋線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)互連。饋線網(wǎng)絡(luò)及T/R組件都安裝和定位在橫梁和面板上，彼此之間的定位精度是能否實(shí)現(xiàn)信號(hào)可靠互連的關(guān)鍵，所以為了保證T/R組件與饋線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)互連的可靠性，對(duì)天線骨架提出了高精度的要求。

考慮到以上因素，在設(shè)計(jì)時(shí)將天線骨架拆分為內(nèi)框架與外框架，兩側(cè)采用連接件固定，通過定位銷將內(nèi)框架從前端安裝進(jìn)外框架并用緊固件固定，如圖2所示。外框架由四周的箱梁拼焊成型，為鋼結(jié)構(gòu)，起到保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支撐的作用；內(nèi)框架由橫梁和縱梁通過榫卯定位，與面板螺接拼裝，保證T/R組件、饋線網(wǎng)絡(luò)和天線單元盲插互連的精度。內(nèi)框架以天線面板為基準(zhǔn)，橫梁、T/R組件與面板定位，饋線網(wǎng)絡(luò)與橫梁定位，通過逐級(jí)定位將精度要求分配到橫梁上，而縱梁僅作為整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的支撐。天線面板上的安裝和定位要素由鋁板一體機(jī)加工成型，保證了各個(gè)部件拼裝的定位精度。橫梁由定制鋁型材機(jī)加工成型，避免了焊接等其他工藝帶來的變形問題，有效保證了因盲插互連產(chǎn)生的高精度需求。骨架內(nèi)框架以零部件形式加工后再進(jìn)行拼裝，大大縮短了項(xiàng)目研制周期，節(jié)約了成本。

圖2 天線骨架內(nèi)外框架示意圖

車載平臺(tái)的天線陣面有密封的要求。雖然在結(jié)構(gòu)形式上，天線骨架外框架包裹了內(nèi)框架，但螺接形式并不能起到密封的作用。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，天線陣面的前端利用天線罩實(shí)現(xiàn)天線骨架內(nèi)外框架的密封；在天線陣面的后端，在內(nèi)框架與外框架之間設(shè)計(jì)門框，利用門框上的密封條實(shí)現(xiàn)天線骨架內(nèi)外框后端結(jié)合處的密封。

3 天線陣面力學(xué)分析

3.1 有限元模型的建立

對(duì)于相控陣天線這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有限元法是最常用和最有效的力學(xué)分析方法。根據(jù)仿真分析內(nèi)容的需要，采用ANSYS軟件對(duì)天線陣面的振動(dòng)和沖擊特性進(jìn)行分析。根據(jù)陣面的骨架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元模型的建模，建模中對(duì)面板上的小孔、倒角和凸臺(tái)等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮其對(duì)骨架結(jié)構(gòu)振動(dòng)與沖擊性能的影響。由于天線骨架內(nèi)大部分結(jié)構(gòu)均為薄板結(jié)構(gòu)，一個(gè)方向上的尺寸遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)方向，所以采用殼單元Shell63進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

天線骨架外部由Q345鋼板焊接箱梁結(jié)構(gòu)形成外框架，內(nèi)部由鋁制縱梁與橫梁及面板形成內(nèi)框架，結(jié)構(gòu)所用材料參數(shù)見表1。計(jì)算時(shí)，天線骨架自身總質(zhì)量為2.4 t，天線單元與其他附件的總質(zhì)量約為4.9 t。

表1 材料參數(shù)

在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，涉及計(jì)算工作的物理量長(zhǎng)度、質(zhì)量、密度、力和應(yīng)力的單位分別為mm，kg，kg/mm3，mN和kPa。為方便描述，建模、分析所涉及的總體坐標(biāo)系約定為：X 軸方向?yàn)闄M梁方向，Y 軸方向?yàn)榭v梁方向，Z 軸方向?yàn)樘炀€陣面厚度即法向方向，遵守右手定則。

3.2 天線骨架靜態(tài)分析

由于要求在有限的空間設(shè)計(jì)出合理的天線骨架結(jié)構(gòu)，在嚴(yán)格控制質(zhì)量的基礎(chǔ)上還需保證骨架結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度，而且車載平臺(tái)天線骨架還需滿足一定的抗風(fēng)能力，因此根據(jù)該型產(chǎn)品的環(huán)境條件要求，需對(duì)下面4種工況進(jìn)行分析校核：

1）工況1，倒豎狀態(tài)，不工作；

2）工況2，6級(jí)風(fēng)，風(fēng)速為13.8 m/s，自重，計(jì)算參考溫度為20°C，需保精度工作；

3）工況3，8級(jí)風(fēng)，風(fēng)速為20 m/s，自重，計(jì)算參考溫度為20°C，需正常工作；

4）工況4，12級(jí)風(fēng)，風(fēng)速為40 m/s，自重，計(jì)算參考溫度為20°C，設(shè)備不損壞。

通過施加均布載荷，模擬它對(duì)天線骨架的影響。當(dāng)給定風(fēng)速為平穩(wěn)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)壓q的計(jì)算公式為：

式中：V 為風(fēng)速；g 為重力加速度；KR為風(fēng)阻系數(shù)，主要取決于物體的形狀與風(fēng)向，這里3種工況中均取1.4；Kg為陣風(fēng)因子，當(dāng)給定風(fēng)速為最大風(fēng)速時(shí)取為1；Kh為高度因子，取為1。

經(jīng)計(jì)算，工況2，工況3和工況4下的風(fēng)壓分別為167 Pa，350 Pa和1 400 Pa。分析時(shí)，風(fēng)壓等效為集中力載荷，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

經(jīng)分析，在天線陣面倒豎狀態(tài)（工況1）下，天線骨架的最大應(yīng)力為61 MPa，出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強(qiáng)度345 MPa,相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖3所示。

天線陣面工作狀態(tài)的3種工況下的最大變形和最大應(yīng)力見表2。天線骨架在3種工況下的最大應(yīng)力分別為12.6 MPa，15.2 MPa和23.8 MPa，均出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強(qiáng)度345 MPa。圖4為工況3下的應(yīng)力分布云圖。

表2 工作狀態(tài)下的靜態(tài)分析結(jié)果

圖4 陣面工況3下的應(yīng)力分布云圖

天線陣面在高低溫條件下需保證精度要求，其低溫工作條件為?40°C，高溫工作條件為+50°C。天線陣面上的設(shè)備（包括天線單元）都安裝定位在天線骨架內(nèi)框架上，且均為同質(zhì)材料，熱膨脹系數(shù)一致，可保證高精度要求。前端和后端由高頻箱門和天線罩與外界高低溫環(huán)境隔離，需保精度的骨架內(nèi)框架和陣面設(shè)備為艙內(nèi)環(huán)境，受高低溫環(huán)境影響相對(duì)較小。天線骨架內(nèi)外框架通過連接件過渡，有一定的調(diào)節(jié)作用。經(jīng)分析，天線陣面在高低溫下的變形為1.02 mm，滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，如圖5所示。

圖5 陣面變形分布云圖

3.3 天線骨架振動(dòng)沖擊分析

車載有源相控陣?yán)走_(dá)在滿足高機(jī)動(dòng)要求的同時(shí)，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)，其天線陣面及天線骨架還需保證強(qiáng)度和剛度。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，隨機(jī)振動(dòng)和沖擊條件見表3和表4。

表3 隨機(jī)振動(dòng)條件

表4 沖擊條件

經(jīng)分析，在垂向振動(dòng)工況下，天線骨架的最大變形為0.22 mm，滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，最大應(yīng)力為168.7 MPa，出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強(qiáng)度345 MPa，相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖6所示。

在垂向沖擊工況下，11 ms時(shí)天線骨架的最大變形為5.15 mm，最大應(yīng)力為202.35 MPa，出現(xiàn)在上支耳處。垂向沖擊時(shí)，天線骨架內(nèi)外框架拼裝連接件（采用7075鋁合金材料，許用應(yīng)力約為550 MPa）的最大應(yīng)力為203.7 MPa，滿足強(qiáng)度要求。圖7為垂向沖擊變形分布云圖。

圖6 垂向振動(dòng)應(yīng)力分布云圖（3σ）

圖7 垂向沖擊變形分布云圖

支耳孔承受由螺栓傳來的載荷，為防止因孔變形配合精度下降，導(dǎo)致天線在沖擊和振動(dòng)條件下無法正常工作，需校核支耳孔的擠壓強(qiáng)度。支耳材料為鋼Q345，其屈服強(qiáng)度σb= 345 MPa，實(shí)際承受應(yīng)力σbr= Pult/dt（σbr從仿真結(jié)果中提取得到，Pult為支耳片承受的設(shè)計(jì)載荷，t為時(shí)間），安全系數(shù)η =Kbrσb/σbr（Kbr為擠壓系數(shù)，Kbrσb為擠壓強(qiáng)度），設(shè)計(jì)時(shí)需保證安全系數(shù)大于1。校核結(jié)果見表5。從表5可知安全系數(shù)大于1。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，上支耳處還增加了筋板，以進(jìn)一步提高安全裕度。

表5 支耳孔校核結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某車載有源相控陣?yán)走_(dá)高機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)需求，天線陣面采用高集成和功能模塊化設(shè)計(jì)，由功能結(jié)構(gòu)一體化冷卻面板替代不銹鋼冷卻管網(wǎng)，由盲插互連的饋線綜合層替代電纜組件直插式結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)天線陣面，其厚度減小了一半，質(zhì)量減輕了40%。設(shè)計(jì)時(shí)天線骨架外部采用由鋼板焊接的箱梁結(jié)構(gòu)形式的外框架，保證天線骨架在各環(huán)境條件下的強(qiáng)度和剛度；內(nèi)部采用橫縱梁與面板逐級(jí)定位的高精度設(shè)計(jì)的內(nèi)框架，保證天線骨架內(nèi)設(shè)備及饋線網(wǎng)絡(luò)安裝的高精度要求。從仿真分析可以看出，天線骨架結(jié)構(gòu)在各工況下均能滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，整體性能較好。