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??；

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，相互間通過銷子定位，保證安裝位置精度，各模塊連接器通過盲插互聯(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。