某球面陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳應(yīng)春，宋曉斐

（1. 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京 211106；2. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

相控陣天線掃描速率高，波束方向改變速度快，目標(biāo)信號(hào)測(cè)量精確度高于機(jī)械掃描天線，這些優(yōu)點(diǎn)使得相控陣天線的研究和應(yīng)用得到了巨大的發(fā)展[1-2]。目前，相控陣天線主要為平面陣布局形式，這種形式在結(jié)構(gòu)上存在掃描角度小、空間利用率低等問(wèn)題。

球面陣列天線具有半空間甚至全空間波束掃描能力[3-4]，可以有效克服平面陣列天線掃描角度小的問(wèn)題。另外，球面陣列天線安裝在球形天線罩內(nèi)部，能夠更好地利用球罩內(nèi)部空間，在同樣大小的空間內(nèi)與平面陣列天線相比能布置更多的天線單元，因而能提高天線陣面的性能。因此，研究球面陣列天線結(jié)構(gòu)形式具有極強(qiáng)的理論和工程實(shí)踐價(jià)值，關(guān)系到天線的工程實(shí)現(xiàn)方式，更影響到天線的生產(chǎn)成本。

本文分析了球面陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種新的天線陣面結(jié)構(gòu)布局方案，并給出了天線陣面主要部件，如陣面骨架、天線子陣、天線單元等的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)對(duì)陣面骨架進(jìn)行了力學(xué)分析，初步驗(yàn)證了天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 球面陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

根據(jù)電訊總體的要求，天線陣面球徑約為2 m，主要包括幾百個(gè)天線單元、若干個(gè)多邊形子陣、各種電模塊、陣面骨架、天線罩等。天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

1）天線陣面安裝在車載平臺(tái)上，其最大球徑不得超過(guò)車輛運(yùn)輸?shù)淖畲髮挾龋?.5 m），要在此空間范圍內(nèi)盡量多地布置天線單元，實(shí)現(xiàn)天線陣面性能的最大化；

2）天線陣面無(wú)需方位轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)全空間波束覆蓋；

3）天線陣面尺寸較大，很難采用整體加工方法制作陣面骨架，需要特殊的拼裝結(jié)構(gòu)組成一個(gè)球面骨架；

4）將純球面陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為易于實(shí)現(xiàn)的多平面式球面陣結(jié)構(gòu)，提高球面共形相控陣天線的可生產(chǎn)性[5]；

5）多邊形子陣數(shù)量眾多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡量減少子陣規(guī)格，規(guī)劃子陣中天線單元的排布，節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期；

6）天線陣面內(nèi)部留有人員操作空間和維修口，方便人員進(jìn)出陣面內(nèi)部和維護(hù)陣面內(nèi)部器件；

7）陣面骨架結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求為陣面骨架結(jié)構(gòu)在1 500 kg（天線陣面質(zhì)量）載荷和自身重力載荷作用下不被破壞且變形盡量?。?/p>

8）天線陣面的結(jié)構(gòu)形式便于整體吊裝。

2 球面陣列天線結(jié)構(gòu)布局

某球面陣列天線（圖1）安裝在車載平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信衛(wèi)星的實(shí)時(shí)跟蹤，其穩(wěn)定的波束切換特性為無(wú)線通信提供了保證。該天線無(wú)需方位轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)全空間波束覆蓋。天線陣面上部為球形，采用富勒烯結(jié)構(gòu)中的C60形式將多個(gè)五邊形子陣、六邊形子陣和梯形子陣拼裝成球體；天線陣面下部為圓柱形，由多個(gè)矩形子陣拼裝成圓柱體；天線陣面底部為陣面底框，底框四周設(shè)置有吊裝接口，用于天線陣面的整體吊裝；天線陣面的外部安裝天線罩，保護(hù)天線陣面。

圖1 天線陣面結(jié)構(gòu)示意圖

各個(gè)子陣均由天線單元、射頻接收模塊、數(shù)字預(yù)處理模塊等組成，安裝在陣面骨架上。陣面骨架安裝在底框上。底框上設(shè)置有維修口，方便人員進(jìn)出陣面內(nèi)部和維護(hù)陣面內(nèi)部器件。另外底框上設(shè)置有天線陣面的各種對(duì)外接口，用于天線陣面和外部設(shè)備的信號(hào)傳輸。天線陣面內(nèi)部還裝有時(shí)頻分機(jī)、電源分機(jī)、數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming, DBF）模塊、嵌入式空調(diào)等設(shè)備，陣面內(nèi)部布局如圖2所示。

圖2 天線陣面內(nèi)部布局示意圖

3 球面陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)球面陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，僅對(duì)陣面骨架、天線子陣、天線單元和陣面吊裝進(jìn)行敘述。

3.1 陣面骨架

陣面骨架是天線子陣的安裝載體，作為整個(gè)天線陣面的主要承力部件，它既要保證天線陣面在使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)不被破壞，又要確保天線陣面能夠保持高精度的電訊性能[6]。由于球面陣列天線的結(jié)構(gòu)相比于其他形式的天線陣面更加復(fù)雜，天線單元分布形式更多，天線單元安裝固定更加困難，天線單元之間的位置精度更難控制，因此需要將難以加工和裝配的純球面陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為易于實(shí)現(xiàn)的多平面式球面陣結(jié)構(gòu)，提高球面相控陣天線的可生產(chǎn)性。

陣面骨架采用富勒烯結(jié)構(gòu)中的C60形式將多個(gè)五邊形面和六邊形面拼裝成球面，實(shí)現(xiàn)球面的多平面化，使得天線單元的安裝固定更加簡(jiǎn)單，天線單元的位置精度更容易保證，也使球面相控陣天線的可生產(chǎn)性更好，降低了生產(chǎn)和裝配成本。陣面骨架采用桁架拼裝結(jié)構(gòu)，主要由各種機(jī)加工桿件和桿件接頭組成，通過(guò)相互螺栓連接的方式組成具有一定功能的球面式相控陣天線框架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。桿件和接頭均采用厚鋁板或鋁棒加工而成，重量較輕，剛度很好，其上有子陣的定位基準(zhǔn)和安裝接口。

圖3 陣面骨架結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 天線子陣

球形天線陣面由若干個(gè)天線子陣拼裝而成。天線陣面上部為球形，采用富勒烯C60結(jié)構(gòu)形式將多個(gè)五邊形子陣、六邊形子陣和梯形子陣拼裝成球體，其中梯形子陣由六邊形子陣演化而來(lái)，保證球面部分的完整性。天線陣面下部為圓柱形，由多個(gè)矩形子陣拼裝成圓柱體，如圖4所示。天線子陣由多個(gè)天線單元、反射板、射頻接收模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊等組裝而成，每個(gè)子陣上的天線單元都按照一定的規(guī)律布置在子陣的反射板上，子陣內(nèi)天線單元之間的位置關(guān)系根據(jù)反射板上的銷孔定位實(shí)現(xiàn)，不同子陣之間的位置關(guān)系依靠陣面骨架上的定位面保證。反射板背部安裝有射頻接收模塊和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，相互間通過(guò)銷子定位，保證安裝位置精度，各模塊連接器通過(guò)盲插互聯(lián)，連接可靠，便于維護(hù)。

圖4 子陣布局結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 天線單元

天線單元采用微帶貼片結(jié)構(gòu)形式，與其他天線結(jié)構(gòu)形式相比，它具有剖面薄、體積小、重量輕等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)可以與載體表面形成共形結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)陣面的“輕薄化”[7]。天線單元主要由上偶極子貼片、下偶極子貼片、同軸電纜、塑料支撐柱、金屬底板等組成。上偶極子貼片與同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體電連接，下偶極子貼片與同軸電纜的外導(dǎo)體電連接，偶極子貼片上下錯(cuò)開，滿足等幅、正交、相位差90°的條件，實(shí)現(xiàn)圓極化，如圖5所示。

圖5 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 陣面吊裝

球形天線陣面的吊裝方式關(guān)系到運(yùn)輸、架設(shè)、測(cè)試等的方便性，吊點(diǎn)的設(shè)置也會(huì)影響天線陣面的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在天線陣面的底框四邊設(shè)置8個(gè)吊裝孔，用來(lái)安裝吊環(huán)，可以對(duì)天線陣面進(jìn)行整體吊裝，見圖6。

圖6 天線陣面吊裝示意圖

4 陣面骨架的力學(xué)分析

球形天線陣面有天線罩保護(hù)，不會(huì)直接受到風(fēng)力的影響，而且自身也不存在方位和俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此球形天線陣面在工作中只受到自身重力載荷的作用。為了驗(yàn)證球形天線陣面在自身重力載荷作用下能夠正常工作且不破壞，需要對(duì)陣面骨架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為天線陣面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。

4.1 有限元模型的建立

本文采用HyperMesh軟件建模，采用ANSYS軟件計(jì)算分析。建模所涉及的材料及其參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

4.2 陣面骨架結(jié)構(gòu)剛度分析

陣面骨架結(jié)構(gòu)在1 500 kg（天線陣面質(zhì)量）載荷和自身重力載荷作用下的三向綜合變形如圖7所示。由圖7可見，陣面骨架上部結(jié)構(gòu)的變形較大，局部最大變形約為2.63 mm，滿足天線陣面結(jié)構(gòu)剛度要求。

圖7 陣面骨架結(jié)構(gòu)的三向綜合變形

4.3 陣面骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

陣面骨架結(jié)構(gòu)在1 500 kg（天線陣面質(zhì)量）載荷和自身重力載荷作用下的的應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可見，最大應(yīng)力發(fā)生在連接接頭處，約為35.3 MPa。

圖8 陣面骨架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖

從材料手冊(cè)中查得5A05鋁材（鋁鎂合金）的屈服強(qiáng)度σ0.2≥125 MPa，安全系數(shù)ns可取1.5，許用應(yīng)力[σ] =σ0.2/ns= 83.3 MPa。陣面骨架中鋁材結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力小于鋁材的許用應(yīng)力[8]，滿足天線陣面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)球面陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，采用富勒烯結(jié)構(gòu)中的C60形式將純球面陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為易于實(shí)現(xiàn)的多平面式球面陣結(jié)構(gòu)，提高了球面陣列天線的可生產(chǎn)性。在此基礎(chǔ)上提出了一種新的天線陣面結(jié)構(gòu)布局方案，并給出了陣面骨架、天線子陣、天線單元等的設(shè)計(jì)思路，可為其他類似球面陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。本文針對(duì)球面陣列天線結(jié)構(gòu)僅僅做了總體布局的規(guī)劃，后續(xù)還需要對(duì)陣面骨架、天線子陣等開展進(jìn)一步研究。