一種低損耗高強(qiáng)度饋源支撐透波罩設(shè)計(jì)

王 錚，武彥飛，謝 萍，白龍斌

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

0 引言

反射面天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、增益高和頻帶寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、測(cè)控、雷達(dá)、遙感和氣象等諸多領(lǐng)域[1]。目前，地面所使用的反射面天線多為固面天線，然而隨著車載、船載等可移動(dòng)式天線的需求量增大，高精度、大口徑、高效率的可展開反射面天線正在成為新的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了固體可展開反射面天線是將反射面分為若干片狀，隨載體平臺(tái)移動(dòng)時(shí)收藏為花瓣聚攏狀態(tài)，天線工作時(shí)靠伺服驅(qū)動(dòng)片狀反射面展開為花瓣綻放狀態(tài)，此時(shí)片狀反射面拼接為完整的固體反射面。文獻(xiàn)[4]介紹了標(biāo)準(zhǔn)固體可展開反射面天線系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)由片狀拼接反射面板、前饋饋源、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支撐座架等構(gòu)成。文獻(xiàn)[5-7]的研究表明，前饋饋源的相位中心應(yīng)與拋物反射面體的焦點(diǎn)重合，因此需要設(shè)計(jì)饋源支撐固定結(jié)構(gòu)保證二者之間的工作位置關(guān)系。為避免與片狀反射面板的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉，固體可展開反射面天線一般采用饋源自支撐結(jié)構(gòu)，即通過支撐結(jié)構(gòu)將饋源固定在反射面的中心軸位置。

文獻(xiàn)[8]介紹了對(duì)于反射面天線饋源支撐多采用撐桿結(jié)構(gòu)，撐桿之間焊接有鋼管用以加強(qiáng)副面支撐。這方面研究多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕，并且加工和裝配均方便的副面支撐結(jié)構(gòu)，既節(jié)約了材料的種類、使用量和成本，同時(shí)又降低了加工和裝配時(shí)的工作強(qiáng)度和難度。文獻(xiàn)[9]提出了用副反射面實(shí)時(shí)調(diào)整減小重力變形影響的方法，分析了副反射面位置平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)天線增益和指向的影響，并建立了副反射面姿態(tài)隨天線仰角角度變化的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[10]提出采用并聯(lián)式Stewart平臺(tái)作為副反射面調(diào)整機(jī)構(gòu)，基于天線主面和副面全位姿工作狀態(tài)下各桿受力最優(yōu)，并兼顧工作空間及避免桿件間干涉等因素，開展副面調(diào)整機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合設(shè)計(jì)，獲得了滿足預(yù)期性能要求的機(jī)構(gòu)構(gòu)型參數(shù)，并求解出該構(gòu)型下機(jī)構(gòu)的工作空間，驗(yàn)證了構(gòu)型參數(shù)綜合設(shè)計(jì)方法的有效性。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種加工簡(jiǎn)單、安裝方便的副面支撐結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行優(yōu)化，副面支撐結(jié)構(gòu)不僅在加工和裝配工藝方面較原有結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，也減少了零部件的種類和數(shù)量。

文獻(xiàn)[11]提出，金屬結(jié)構(gòu)的引入將對(duì)饋源入射波形成強(qiáng)烈的電磁散射，造成較大損耗，嚴(yán)重影響天線的輻射性能。因此，當(dāng)前大部分饋源支撐設(shè)計(jì)采用與反射面邊緣連接的撐桿結(jié)構(gòu)或籠型金屬自支撐桿結(jié)構(gòu)，盡可能避免遮擋饋源與反射面間的電磁傳輸路徑，降低天線損耗[12-15]。但這種支撐結(jié)構(gòu)只適用于固定反射面天線，無(wú)法實(shí)現(xiàn)反射面天線的動(dòng)態(tài)收展。

本文設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于固體可展開反射面天線的新型低損耗高強(qiáng)度饋源支撐結(jié)構(gòu)，該饋源支撐采用A夾層天線罩結(jié)構(gòu)，兩端通過金屬法蘭分別與反射面中心圓柱體以及饋源連接，具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和較低的插入損耗，既能起到對(duì)饋源的穩(wěn)固支撐作用，又能實(shí)現(xiàn)高效透波，避免了緊湊型金屬支撐結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的遮擋，從而提高天線的輻射效率。該饋源支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，兼顧結(jié)構(gòu)、透波以及環(huán)境適應(yīng)性等多方面性能，特別適用于固體可展開反射面天線，也可應(yīng)用于固定反射面天線，具有重要的工程應(yīng)用意義。

1 饋源自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)片狀反射面天線的動(dòng)態(tài)收展，饋源自支撐應(yīng)采用緊湊型自支撐結(jié)構(gòu)，常用的方式是利用4根金屬支撐桿將饋源固定在中心軸的焦點(diǎn)位置上，如圖1所示。對(duì)此支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真分析，其電場(chǎng)分布如圖2所示?？梢钥吹剑o湊型的金屬支撐桿結(jié)構(gòu)遮擋了電磁波的傳輸路徑，對(duì)饋源輻射的入射波形成較強(qiáng)的電磁散射，嚴(yán)重影響反射面的波束聚焦效果。

圖1 饋源自支撐結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-supporting structure of feed

圖2 金屬支撐桿結(jié)構(gòu)的饋源輻射電場(chǎng)分布Fig.2 Electric field distribution of the feed support with metal

為避免金屬支撐桿的遮擋影響，提出了一種基于復(fù)合材料的低損耗高強(qiáng)度饋源自支撐結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該自支撐結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度復(fù)合材料天線罩筒，兩端通過金屬連接法蘭分別與饋源以及反射面中心圓柱體連接，通過止口進(jìn)行定位。

圖3 基于復(fù)合材料的饋源自支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Self-supporting structure of feed based on composite material

采用這種基于復(fù)合材料的饋源支撐罩筒，可以省去金屬支撐桿結(jié)構(gòu)，避免了金屬結(jié)構(gòu)對(duì)饋源入射波的散射效應(yīng)，從而有效降低天線損耗。該饋源支撐罩的透波區(qū)采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，根據(jù)工作頻率以及電磁波入射角對(duì)罩體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過力學(xué)性能校核，最終完成低損耗、高強(qiáng)度的饋源支撐罩體設(shè)計(jì)。

2 低損耗高強(qiáng)度支撐罩體優(yōu)化設(shè)計(jì)

常用的天線罩主要包括層合板結(jié)構(gòu)、A夾層結(jié)構(gòu)、C夾層結(jié)構(gòu)和多夾層結(jié)構(gòu)等。電磁波在介質(zhì)中的傳播可以等效為傳輸線，利用四端口網(wǎng)絡(luò)理論分析。根據(jù)四端口理論，多層介質(zhì)平板的電參數(shù)結(jié)構(gòu)[16-19]，可以視為N個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，總的轉(zhuǎn)移矩陣為各分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移矩陣的乘積：

式中，N為多層介質(zhì)板的總層數(shù)；A，B，C，D為轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)，與電磁波頻率、材料的介電常數(shù)、損耗角正切、材料厚度以及入射角度相關(guān)。

對(duì)于多層介質(zhì)罩，假設(shè)入射和出射空間均為自由空間，則該多層平板介質(zhì)的透過系數(shù)為：

為盡可能降低插入損耗，要求天線罩具有較高的透波系數(shù)，此外，為適應(yīng)車載固體可展開反射面天線高速轉(zhuǎn)動(dòng)與饋源端設(shè)備載重要求，天線罩還需提供較高的結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度。因此，綜合選擇多夾層罩體結(jié)構(gòu)，以同時(shí)兼顧良好的透波率與高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

本文最終選擇A夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線罩透波區(qū)域，其中間芯層材料為蜂窩材料，內(nèi)外兩層蒙皮為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具體參數(shù)如表1所示。

表1 饋源支撐罩體材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of feed support radome

為得到最優(yōu)透波系數(shù)以及最優(yōu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，罩體厚度參數(shù)優(yōu)化過程以遺傳算法為優(yōu)化方法，使用等效傳輸線理論計(jì)算平均平板透波性能，有限元法計(jì)算罩體力學(xué)性能，以透波系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以力學(xué)性能指標(biāo)為約束，進(jìn)行復(fù)合材料天線罩體厚度參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 基于遺傳算法的復(fù)合材料罩體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.4 Optimization design flow of the radome with composite material based on genetic algorithm

基于遺傳算法的具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程為：① 確定具體的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件與設(shè)計(jì)變量，隨機(jī)生成初始種群；② 對(duì)天線罩外形進(jìn)行網(wǎng)格離散，根據(jù)載荷約束、位移約束等條件建立有限元模型，根據(jù)工作頻段、入射角范圍建立平板透波性能計(jì)算模型；③ 針對(duì)初始種群個(gè)體參數(shù)，利用等效傳輸理論計(jì)算平板透波性能，并使用仿真軟件計(jì)算罩體的力學(xué)性能，得到個(gè)體適應(yīng)度值；④ 比較初始種群個(gè)體適應(yīng)度值，找到最優(yōu)解個(gè)體；⑤ 對(duì)上代種群進(jìn)行選擇、交叉與變異操作，生成新種群；⑥ 通過迭代優(yōu)化，直至進(jìn)化代數(shù)終止，找到最優(yōu)值。

饋源輻射的電磁波經(jīng)過罩體的最大入射角約為70°，饋源工作在L/S頻段，遺傳算法的優(yōu)化目標(biāo)為在工作頻率1.5～2.5 GHz及電磁波入射角0°～70°內(nèi)，其最低透波率Tmin最高，同時(shí)設(shè)置力學(xué)性能約束條件，在極限載荷作用下，饋源支撐罩的最大變形量dmax≤1 mm。設(shè)計(jì)變量包括內(nèi)外蒙皮厚度d1,取值[0.5,1.4]mm；蒙皮材料單層實(shí)際厚度0.2 mm，變量間隔0.2 mm；芯層厚度為d2，取值[10,20]mm，變量間隔0.5 mm，則罩體優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為：

各代種群中個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度值的變化曲線如圖5所示。

圖5 各代種群最優(yōu)適應(yīng)度值變化曲線Fig.5 Variation curve of optimal fitness values of each generation population

由圖5可以看出，經(jīng)過上述迭代優(yōu)化，適應(yīng)度值最優(yōu)時(shí)的Tmin為81.5%，平均透波系數(shù)達(dá)89.2%，此時(shí)，在20 kg最大載荷情況下天線罩最大變形量為0.8 mm。對(duì)應(yīng)于此適應(yīng)度值，復(fù)合材料罩體蒙皮厚度d1為1 mm，芯層厚度d2為18 mm。

3 支撐結(jié)構(gòu)電氣性能仿真分析

為驗(yàn)證上述優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料支撐罩體的電氣性能，首先對(duì)采用最優(yōu)厚度結(jié)果的復(fù)合材料平板罩體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行電磁仿真計(jì)算。該材料結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。可以看到，在整個(gè)工作頻段以及0°～70°入射角，透射系數(shù)在-0.9 dB以內(nèi)，即最小透波率約為81.3%，與優(yōu)化結(jié)果一致。

圖6 復(fù)合材料平板罩體結(jié)構(gòu)傳輸系數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of transmission coefficient of flat radome with composite material

本文以6.5 m前饋反射面天線系統(tǒng)為分析對(duì)象，采用優(yōu)化后的材料厚度參數(shù)建立復(fù)合材料饋源支撐罩體模型。為適應(yīng)反射面天線收藏狀態(tài)空間尺寸，罩體采用緊湊型圓錐筒外形，兩端通過金屬法蘭分別與反射面中心的圓柱體以及饋源連接，饋源采用陣列天線形式，工作頻段為L(zhǎng)/S頻段，通過電磁仿真軟件對(duì)天線性能進(jìn)行計(jì)算分析。

反射面天線加載饋源支撐透波罩前后的增益方向圖對(duì)比如圖7所示。

(a) f=1.8 GHz

饋源支撐罩對(duì)天線性能的影響如表2所示。

表2 饋源支撐罩對(duì)天線性能影響Tab.2 Performance influence of feed support on the antenna

分析可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)的饋源支撐透波罩對(duì)天線增益影響較小，罩體引起的插入損耗在0.5 dB以內(nèi)，具有良好的透波性能，第一旁瓣抬升相對(duì)明顯，約為5～8 dB，不影響實(shí)際使用。

4 支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析

本文提出的復(fù)合材料饋源支撐罩用于車載可展開反射面天線，天線工作過程中，饋源隨反射面高速轉(zhuǎn)動(dòng)，且饋源端需承重設(shè)備載荷。建立饋源支撐罩有限元分析模型如圖8所示。該模型采用C3D8 R六面體實(shí)體單元，共有31 108個(gè)節(jié)點(diǎn)和15 646個(gè)單元。

圖8 饋源支撐罩有限元分析模型Fig.8 Finite element analysis model of feed support radome

將固定基座簡(jiǎn)化為固定參考點(diǎn)，俯仰結(jié)構(gòu)與之建立鉸接關(guān)系，然后對(duì)其施加轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。將基座點(diǎn)固定，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)施加繞X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度25 (°)/s2，同時(shí)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加Z軸方向的重力載荷。將饋源以質(zhì)量點(diǎn)方式施加于其連接面，質(zhì)量為20 kg，其他各部分結(jié)構(gòu)的連接部分通過綁定約束進(jìn)行連接，受力仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 饋源支撐罩受力仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the force acting on the feed support radome

由圖9可以看出，在極限載荷情況下，支撐罩體形變量在1 mm以內(nèi)，最大應(yīng)力約130 Mpa，位于與饋源連接的金屬法蘭上，該應(yīng)力值低于材料許用應(yīng)力，在安全范圍內(nèi)。驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的基于復(fù)合材料的饋源支撐罩具有良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用復(fù)合材料圓錐天線罩筒結(jié)構(gòu)的低損耗高強(qiáng)度饋源支撐結(jié)構(gòu)。該饋源支撐采用A夾層結(jié)構(gòu)并利用遺傳算法進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了低損耗透波與高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)支撐的綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真結(jié)果表明，這種饋源支撐罩對(duì)天線輻射性能影響較小，在L/S頻段插入損耗小于0.5 dB，且在極限載荷情況下罩體形變量在1 mm以內(nèi)，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

該饋源支撐設(shè)計(jì)損耗小、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，且具有防沙塵和防水功能，環(huán)境適應(yīng)性好，特別適用于饋源支撐部分空間受限的固體可展開反射面天線，也可應(yīng)用于固定反射面天線，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。