一種雷達天線反射體原理樣機設計與仿真分析

黃 克

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

超視距雷達具有探測距離遠,覆蓋范圍大,單位面積所需成本低,抗隱身能力強等特點,在國內外得到廣泛關注與應用。超視距雷達探測是依靠電離層對短波信號的反射來實現(xiàn)的,因此,作為超視距雷達物理架構組成部分的天線反射體顯得尤為重要。

天線反射體具有單個天線增益高，頻帶寬的特點,廣泛應用于移動通信基站、衛(wèi)星通信、車載站、岸基、微波通信中繼等場合。作為超視距雷達工作的關鍵部分,天線反射體主要作用是接收和發(fā)射電磁波信號,其口徑規(guī)格取決于電性能設計指標。當反射體口徑非常大,無法滿足公路運輸要求時,則需要將反射體分塊處理,以滿足公路運輸要求。反射體分塊方式與天線剛強度性能息息相關,也影響著雷達系統(tǒng)電性能指標。目前研究主要集中在正饋反射體的折疊展收方面,而針對偏饋反射體分塊還未見相關資料。本文針對某超視距雷達天線反射體原理樣機的設計要求,提出了一種反射體分塊方案,并進行反射體結構設計,最后利用有限元軟件MSC.Nastran對其進行剛強度校核。

1 天線反射體總體要求

反射體型面為實體偏置切割拋物面,焦距為1 730 mm,偏置高度為250 mm,口徑為3 000 mm(寬)×2 000 mm(高)。反射體型面如圖1所示,其中坐標系原點為反射體拋物線的頂點。根據總體設計要求,天線反射體重量不超過330 kg。

反射體型面投影形狀中間為矩形,上下均為半個橢圓。上下橢圓短軸均為700 mm。橢圓曲線投影方程為:

在圖1建立的坐標系下:反射體整體成型后型面精度≤0.5 mm(法向均方根);誤差值的絕對值分布應滿足(采點數應不小于1 500):0～0.5 mm的點不少于60%;0～0.8 mm的點不少于85%;≥1.2 mm的點不超過3%。

圖1 反射體型面精度測量基準

2 設計方案

2.1 總體布局設計及組成

3米天線反射體由反射面、背架等組成?？傮w布局見圖2。

圖2 3米天線反射體總體布局

2.2 3米天線反射體設計

3米天線屬于中小口徑天線,反射體型面設計方案采用切割拋物面,為了保證每個分塊曲面拼接時連續(xù)且光滑,根據設計經驗,設計中塊寬1 300 mm,邊塊寬850 mm。反射體采用鋁面板、鋼背架結構,面板采用2 mm厚度的5A06-O拉伸成型。面板分塊示意如圖3所示,天線反射體結構示意圖如圖4所示。

圖3 天線反射體分塊示意圖

圖4 天線反射體結構示意圖

其中，拋物面反射體分為反射面及背架,反射面由胎膜蒙皮拉伸面板與角鋁鉚接而成,背架由薄鋼板拼焊而成的薄殼梁拼接而成;反射面通過角件與背架鉚接相連。在背架上方布置有反射體吊裝點,中部位置布置有水平測試平面,下方布置有安裝面和安裝接口。

2.2.1 反射面設計

3米天線反射體為偏饋反射體,為了保證天線結構的運輸性能，需要對反射面進行適當尺寸地分塊,經過合理排布,將反射面在3米寬度方向上分為3塊。其中，中塊設計寬度為1 300 mm,邊塊設計寬度為850 mm,高度方向尺寸自然生成。

反射面的主要設計特點:胎膜蒙皮拉伸成型的面板成型后均經過了退火處理,去除內部殘余應力,反射體裝配后無變形回彈。

1)布置了間距合適的角鋁作為型面成型筋條,以保證最終獲得的反射面型面精度達到較高要求;

2)較密的成型筋條有利于布置更多的連接支板以實現(xiàn)背架對反射面更好的支撐,從而保證反射面在強風的作用下具備更好的型面精度。

單塊反射面由胎膜蒙皮拉伸成型面板與等邊鋁型材鉚接而成,其中蒙皮拉伸成型面板厚2.5 mm,成型后經過退火處理去除了內部殘余應力;在單塊反射面的邊緣選用∠40×40×3的等邊角鋁以提升其整體輪廓剛性,在反射面內部統(tǒng)一選用∠30×30×3的等邊角鋁作為支撐筋條,這樣在滿足反射面內部剛性及型面精度的前提下,盡可能節(jié)省了空間,使背架能擁有更大的空間用于提升整個反射體的剛性。反射體左、右邊塊各約12 kg,中塊約26 kg,3塊反射面總重約50 kg。

2.2.2 背架設計

根據總體結構方案,3米天線反射體在長寬高方向上都有嚴格的尺寸限制,因此背架的設計只能在有限的空間內進行,而薄殼梁結構是在這樣的設計條件下的首選結構形式。因為薄殼梁結構能夠在空間尺寸極為有限的情況下達到盡可能高的結構剛強度,同時重量控制也較為合理。

背架的主要設計特點如下:

1)充分利用了空間尺寸,并且通過合理地選擇薄板壁厚及局部采取厚板加強的措施,在實現(xiàn)較好的結構剛強度的同時，重量控制得較為合理;

2)結構簡單緊湊,背架全部由薄鋼板拼焊而成,重要接口尺寸通過機加工保證,易于加工制造。

經過反復論證,并經過有限元仿真分析優(yōu)化后,天線背架結構如圖5所示。

圖5 反射體背架結構示意圖

背架主梁采用3.5 mm厚的Q345A鋼板槽型件組焊成形,副梁采用3.5 mm厚的鋼板槽型件組焊成形,背架總重約250 kg。該背架結構在滿足所有功能性要求及保證足夠剛強度的前提下,實現(xiàn)了較好的重量控制。

3 分析計算

3.1 重量估算

天線反射體重量估算為312 kg,滿足總體設計要求,重量估算表如表1所示。

表1 天線重量估算

3.2 理論計算

根據反射體指標要求,需要計算以下工況的天線反射體的應力應變:1)反射體的自重變形;2)重力及20 m/s風速下變形及應力;3)重力及35 m/s風速下變形及應力。根據風載荷計算式:

式中，為天線所受總風力大小,為阻力系數,為空氣密度,為風速,為發(fā)射面特征面積,即投影面積。

3.3 天線反射體結構系統(tǒng)仿真計算

3.3.1 建立有限元模型

為系統(tǒng)地研究天線結構的靜態(tài)性能,用MSC.Nastran軟件對天線反射體系統(tǒng)進行仿真計算。天線反射體結構主要由反射面板、鋼板折彎件等部分組成。根據天線工作狀態(tài)各工況均約束轉臺6個自由度,風載荷均勻加在天線反射體上。根據以上分析,在對三維模型進行適當的簡化和處理后,建立了天線結構的有限元模型,進行了網格劃分,如圖6所示。

圖6 天線反射體有限元模型

3.3.2 天線反射體結構有限元分析結果

根據模型賦予單元相應屬性,并根據工況對天線反射體結構施加相應的邊界條件(包括位移約束、風載、重力載荷等),然后進行計算,得到其在不同工況下的計算結果。

a) 自重載荷下,天線反射體最大應變如圖7、圖8所示。

圖7 天線反射體自重載荷的位移云圖

圖8 天線反射體自重載荷的偏差云圖

從圖7和圖8可以看到,天線反射體在自重作用下的最大應變發(fā)生在天線反射體頂部區(qū)域,其值為0.55 mm,計算反射面型面RMS值,結果為0.34 mm。

b) 重力及20 m/s風作用下,天線反射體的最大應變(正面迎風)如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10中可以看到,天線反射體在自重及20 m/s風載荷作用下的最大應變發(fā)生在天線反射體頂部區(qū)域,其值為0.41 mm,計算反射面型面RMS值為0.23 mm。

c) 重力及20 m/s風作用下,天線反射體最大應變(背面迎風)如圖11、圖12所示。

圖9 20 m/s風載荷下位移云圖(正面迎風)

圖10 20 m/s風載荷下偏差云圖(正面迎風)

圖11 20 m/s風載荷下位移云圖(背面迎風)

從圖11和圖12中可以看到,天線反射體在自重及20 m/s風載荷作用下的最大應變發(fā)生在天線頂部區(qū)域,其值為1.46 mm,計算反射面型面RMS值為0.48 mm。

d) 重力及35 m/s風作用下,天線反射體最大應力(正面迎風)如圖13所示。

圖12 20 m/s風載荷下偏差云圖(背面迎風)

圖13 35 m/s風載荷下應力云圖(正面迎風)

從圖13中可以看到,天線反射體在自重及35 m/s風載荷作用下的最大范式應力為32.18 Mpa,最大值發(fā)生在天線底部支撐位置。

e) 重力及35 m/s風作用下,天線反射體最大應力(背面迎風)如圖14所示。

圖14 35 m/s風載荷下應力云圖(背面迎風)

從圖14中可以看到,天線反射體在自重及35 m/s風載荷作用下的最大范式應力為98.75 MPa,最大值發(fā)生在天線背部支撐位置。

3.3.3 仿真結論

根據仿真結果可知,該反射面的最大形變和最大應力均發(fā)生在35 m/s風載荷工況下,最大應力為98.75 MPa,小于其材料許用應力;最大變形僅為1.46 mm,可認為該天線反射體結構設計合理可行,反射體結構剛強度可滿足使用要求。

4 結束語

本文對某超視距雷達天線反射體原理樣機提出了一種分塊方案,進行了反射體結構設計,利用有限元分析軟件對其結構進行了剛強度校核。仿真分析表明,該反射體設計合理,能夠滿足總體各項指標要求。本文研究工作為后續(xù)天線反射體剛強度影響因素耦合分析奠定基礎。