輕量化高精度反射面天線保型設(shè)計與動靜態(tài)特性分析

□ 劉健泉 □ 蔣立坤 □ 周書中 □ 王奧雨 □ 胡 靜 □ 程志峰 □ 韓貴梅

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 石家莊 050081 2.中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司 石家莊 050081

1 研究背景

為滿足中低軌道衛(wèi)星的跟蹤需求,測控站天線朝著高精度、輕量化、多頻段方向發(fā)展。在國外,遙感衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)已規(guī)劃布局[1-2]。對于測控天線而言,笨重的結(jié)構(gòu)會使天線造價昂貴、功耗嚴重[3]。因此,在滿足精度、動態(tài)特性的前提下,應(yīng)盡可能進行輕量化設(shè)計。

在高精度反射面天線研制方面,國內(nèi)外大多采用鋼板焊接中心體、鋼制輻射梁、環(huán)向拉桿組成天線背架,面板調(diào)整支座的位置在特定樣板上配焊實現(xiàn),易產(chǎn)生焊接變形,工藝過程復(fù)雜。通過調(diào)整支座及螺桿,可以實現(xiàn)多級調(diào)整。反射面板采用鋁合金板材和Z形筋鉚接結(jié)構(gòu),在鉚接過程中貼模性較差,易產(chǎn)生變形,難以達到較高的精度。國內(nèi)外學者在天線保型設(shè)計、力學分析、精度測量等多方面開展相關(guān)技術(shù)研究[4-6],進一步提高了天線的指向穩(wěn)定性和跟蹤性能。

基于測控需求,筆者研制了一款輕量化高精度反射面天線,通過三自由度調(diào)整方法、天線反射體輕量化技術(shù)、基于面板整體互連的結(jié)構(gòu)保型技術(shù),有效減輕了天線反射體的整體質(zhì)量,達到了較高的主面再裝精度。基于有限元軟件對天線反射體進行動靜態(tài)特性分析、面形精度分析,結(jié)果表明天線主面精度及承載能力均滿足要求。經(jīng)過現(xiàn)場電氣測試,天線的主面精度、增益,以及系統(tǒng)地面站性能指數(shù)均滿足要求。

2 天線反射體主要性能指標

天線反射體的主要性能指標中,工作頻率下行為19.2 GHz～21.2 GHz,上行為29 GHz～31 GHz,天線直徑為6.2 m,天線反射體質(zhì)量不大于1 t,主面精度不低于0.3 mm,天線固有諧振頻率不低于5 Hz,接收天線增益不小于59.4+20lg(F/19.2)dBi,發(fā)射天線增益不小于63.4+20lg(F/29.0)dBi。在晴空,微風,環(huán)境溫度為-20～60 ℃,仰角不小于20°的情況下,地面站性能指數(shù)不低于33.5+20lg(F/19.2)dB/K。F為天線工作頻率。

3 天線反射體結(jié)構(gòu)

6.2 m天線反射體的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由反射面單元、反射體骨架、副反射體、饋源網(wǎng)絡(luò)及支撐、根部面板調(diào)整組件、外側(cè)面板調(diào)整組件組成。

▲圖1 6.2 m天線反射體整體結(jié)構(gòu)

每個反射面單元獨立與天線背架相連接,具有調(diào)整功能,可準確調(diào)整和固定反射面單元的位置,保證反射面單元的整體安裝精度。反射面單元主要由蒙皮、根部面板預(yù)埋件、外側(cè)面板預(yù)埋件組成,由碳纖維材料加工而成。每塊扇形反射面的制造精度均不低于0.1 mm,總裝后的反射面精度不低于0.3 mm。反射面單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

反射體骨架由桁架支撐及16根主拉桿組件組成。開放的桁架支撐結(jié)構(gòu)由中心支筒、加強圈、立筋、連接法蘭組成,顯著特點是剛性好,外形美觀,易于表面防腐處理。桁架支撐結(jié)構(gòu)如圖3所示。主拉桿組件由主拉桿、上接頭、下接頭組成,采用碳纖維材料制成。主拉桿組件將中心體下端面與面板相連,質(zhì)量輕,外形美觀,為反射面主面提供支撐。主拉桿組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

▲圖2 反射面單元結(jié)構(gòu)

▲圖3 桁架支撐結(jié)構(gòu)

▲圖4 主拉桿組件結(jié)構(gòu)

4 天線主面精度調(diào)整

基于攝影測量結(jié)果,通過根部面板調(diào)整組件的長圓孔進行法向調(diào)整,通過與根部面板調(diào)整組件相連的內(nèi)側(cè)組合墊進行徑向調(diào)整,通過外側(cè)面板調(diào)整組件的長圓孔進行法向調(diào)整,通過外側(cè)面板調(diào)整組件的中心組合墊進行周向調(diào)整。根部面板調(diào)整組件結(jié)構(gòu)如圖5所示,外側(cè)面板調(diào)整組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

反射面主面精度粗調(diào)時,天線反射體安裝到位,在外側(cè)第一圈面板調(diào)整組件及外側(cè)第二圈面板調(diào)整組件位置附近增加工裝支撐,主拉桿組件安裝到位后螺釘固定,根部面板調(diào)整組件及外側(cè)面板調(diào)整組件依次安裝到相應(yīng)位置后由螺釘固定,進而確定反射面的相對位置。

▲圖5 根部面板調(diào)整組件結(jié)構(gòu)

▲圖6 外側(cè)面板調(diào)整組件結(jié)構(gòu)

反射面主面精度精調(diào)時,根據(jù)攝影測量結(jié)果進行調(diào)整,直到初始狀態(tài),即朝天狀態(tài)下主面精度達到0.2 mm的要求。反復(fù)拆裝幾次,直到再裝精度達到0.3 mm的要求。在主拉桿組件與桁架支撐連接位置、主拉桿組件與主反射面單元連接位置、外側(cè)面板調(diào)整組件相應(yīng)位置由螺栓定位、螺釘固定,完成主面精度的精調(diào)。

主面精度調(diào)整流程如圖7所示。

5 技術(shù)創(chuàng)新點

(1)三自由度調(diào)整。半封閉的面板調(diào)整組件可以實現(xiàn)主反射面位姿的徑向、周向及法向調(diào)整,方便快捷。面板調(diào)整組件中的系列組合墊具備互換性,可提高調(diào)整效率。

(2)天線反射體輕量化設(shè)計。開放的桁架支撐及可調(diào)節(jié)碳纖維主拉桿組件構(gòu)成天線反射體背架,極大簡化了天線背架的設(shè)計,并有效減輕了天線反射體的整體質(zhì)量。

(3)天線反射體保型設(shè)計。面板調(diào)整組件使反射面實現(xiàn)整體互連,比剛度大,保型性好。面板調(diào)整組件直接與面板預(yù)埋件相連接,省去配焊工藝流程,提高位置精度。

▲圖7 主面精度調(diào)整流程

6 靜態(tài)特性分析

以ANSYS有限元分析軟件為平臺進行天線反射體承載結(jié)構(gòu)的有限元分析。通過APDL軟件建立有限元模型,對天線反射體的整體結(jié)構(gòu)施加耦合,進行剛度強度特性分析、主面精度分析、安全性校核,得到典型俯仰角下的天線精度及承載能力。

主拉桿組件和天線反射面主面材料為碳纖維,反射面副面材料為鋁,其余構(gòu)件材料均為鋼。計算模型中單元使用情況見表1。

表1 計算模型中單元使用情況

添加約束與耦合后,有限元模型如圖8所示。

實際工程中,風載荷的計算公式為:

Fx=CxAQ

(1)

Fy=CyAQ

(2)

▲圖8 有限元模型

式中:Fx為迎風阻力;Fy為橫向阻力;Cx為迎風阻力因數(shù);Cy為橫向阻力因數(shù);D為天線直徑;A為天線口徑面積;Q為風壓。

對于保型設(shè)計,面精度是吻合后位移的均方根值。文獻[7-8]對標準拋物面天線的最佳吻合拋物面進行研究,方法雖有不同,但最終的吻合精度基本一致。設(shè)計拋物面與最佳吻合拋物面如圖9所示。

▲圖9 設(shè)計拋物面與最佳吻合拋物面

根據(jù)天線使用的環(huán)境,分別選取俯仰角為0°、45°、90°工況對天線進行剛度強度分析、主面精度分析,載荷為自重+8級風,風速為21 m/s,考慮天線反射體正吹、側(cè)吹、背吹的情形。

由焦距誤差引起的反射面焦點變化誤差為:

(3)

式中:Δf為焦距誤差;α為俯仰角;ΔX1、ΔY1、ΔZ1依次為由焦距誤差引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由俯仰角變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(4)

式中:θy為俯仰角變化量;ΔX2、ΔY2、ΔZ2依次為由俯仰角變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由方位角變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(5)

式中:θz為方位角變化量;ΔX3、ΔY3、ΔZ3依次為由方位角變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由發(fā)射面頂點變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(6)

式中:ΔXv、ΔYv、ΔZv依次為反射面頂點在X、Y、Z方向的位移變化量;ΔX4、ΔY4、ΔZ4依次為由反射面頂點變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

根據(jù)式(3)～式(6),得到最佳吻合拋物面焦距和無變形理論拋物面的誤差公式為:

(7)

式中:ΔX5、ΔY5、ΔZ5依次為最佳吻合拋物面的焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

通過對變形數(shù)據(jù)的分析,選取俯仰角45°為預(yù)調(diào)角進行最佳吻合拋物面數(shù)據(jù)處理,進而得到俯仰角為0°、45°、90°時的結(jié)構(gòu)變形、最大應(yīng)力、主面均方根精度分析結(jié)果,依次見表2、表3、表4。

表2 俯仰角0°時分析結(jié)果

表3 俯仰角45°時分析結(jié)果

表4 俯仰角90°時分析結(jié)果

由表2～表4可知,俯仰角為0°,風速為21 m/s,正吹時變形最大,最大變形量為1.743 mm,滿足要求。俯仰角為45°,風速為21 m/s,正吹時應(yīng)力及主面精度最大,最大應(yīng)力σ為27.36 MPa,最大主面精度為0.081 4 mm,滿足要求。

限于篇幅,僅給出俯仰角為0°,正吹時的位移與應(yīng)力云圖,分別如圖10、圖11所示。

▲圖10 俯仰角0°正吹時位移云圖

▲圖11 俯仰角0°正吹時應(yīng)力云圖

7 動態(tài)特性分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是動態(tài)特性分析的一種方法,目的是為類似反射面的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。為避免天線結(jié)構(gòu)的固有頻率落在伺服帶寬范圍內(nèi),提高天線的指向精度,必須使天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)擁有較高的最低固有頻率[9]。

基于振動理論,天線系統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)振動的動力平衡方程為:

(8)

對于無阻尼模態(tài)分析,式(8)中C和F(t)為零。此時,天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動的動力平衡方程簡化為:

(9)

對于線性系統(tǒng),式(9)的解為:

X(t)=φicos(ωit)

(10)

式中:ωi為與第i階模態(tài)相對應(yīng)的固有頻率;φi為與第i階模態(tài)相對應(yīng)的振幅。

將式(10)代入式(9),得:

(11)

對式(11)進行求解時,在各節(jié)點振幅φi不都為零的情況下方程有解,式(11)的系數(shù)行列式等于零,即:

(12)

假設(shè)天線系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣都是n階方陣,則式(12)為n次代數(shù)方程組。解式(12)得到天線系統(tǒng)的n階固有頻率后,代入式(11),最終得到與n階固有頻率對應(yīng)的振幅φi。

由此可見,求解某個系統(tǒng)的各階固有頻率和與之相對應(yīng)的各階振型,可以歸結(jié)為求解結(jié)構(gòu)振動微分方程的特征值與特征向量。

基于ANSYS軟件進行模態(tài)分析,得到天線在不同俯仰角時的結(jié)構(gòu)諧振頻率。天線在不同俯仰角時的結(jié)構(gòu)前四階固有頻率見表5,俯仰角為45°時的天線反射體振型如圖12所示。

表5 天線結(jié)構(gòu)固有頻率

在俯仰角為45°時,天線反射體的一階振型為反射面主面的上下振動,天線反射體的二階振型為反射面主面的前后振動,天線反射體的三階振型為副面支桿的前后振動,天線反射體的四階振型為副面支桿的左右振動。

經(jīng)過計算分析,整個天線系統(tǒng)的一階固有諧振頻率為9.716 Hz,確認結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行,滿足性能設(shè)計指標。

▲圖12 俯仰角45°時天線反射體振型

8 天線主面精度測試

對天線反射面主面進行精度測試,天線整體實物如圖13所示。

▲圖13 天線整體實物

對于大中型天線反射面的測量,目前常用的方法主要包括數(shù)字近景攝影測量法、激光跟蹤儀測量法、雙電子經(jīng)緯儀測量法、射電全息術(shù)法等[10-12]。

筆者在六桿Ka頻段6.2 m天線項目中進行實測,主面精度為0.278 mm,不同俯仰角時主面精度見表6。

表6 主面精度測試結(jié)果

限于篇幅,僅給出俯仰角為45°時的主面精度數(shù)據(jù)點云分布和統(tǒng)計結(jié)果,如圖14、表7、表8所示。表8中,Σ為測試點均方根偏差。

▲圖14 主面精度數(shù)據(jù)點云分布

表7 主面精度數(shù)據(jù)點云統(tǒng)計結(jié)果

表8 主面精度數(shù)據(jù)點云點數(shù)

9 系統(tǒng)指標實測

經(jīng)過現(xiàn)場測試,天線系統(tǒng)的增益、噪聲溫度、第一旁瓣、差波束零深均滿足性能設(shè)計要求。與伺服分系統(tǒng)配合,天線系統(tǒng)在典型頻點20.68 GHz的方位、俯仰和差測試方向圖分別如圖15、圖16所示。

10 結(jié)束語

筆者通過保型設(shè)計,實現(xiàn)了一種新型輕量化高精度反射面天線,滿足測控站輕量化、高精度、過頂跟蹤的要求。主要的技術(shù)創(chuàng)新點是基于半封閉的面板調(diào)整組件,實現(xiàn)反射面主面位姿的三自由度精度調(diào)整;基于開放的桁架支撐及可調(diào)節(jié)碳纖維主拉桿組件結(jié)構(gòu),在滿足比剛度要求的前提下減輕了天線反射體的整體質(zhì)量;采用面板調(diào)整組件使反射面實現(xiàn)整體互連,實現(xiàn)天線反射體的整體結(jié)構(gòu)保型精度。

▲圖15 方位和差測試方向圖

▲圖16 俯仰和差測試方向圖

從天線發(fā)射體的主面精度標校結(jié)果和天線系統(tǒng)現(xiàn)場對星電氣測試與實際跟蹤效果來看,天線反射體具有優(yōu)良的性能,可以實現(xiàn)中低軌道衛(wèi)星的高精度過頂跟蹤。