某星載多波束相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

韓 博 郭 睿 劉英虎 倪 濤 姚 近 王 敏

某星載多波束相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

韓 博 郭 睿 劉英虎 倪 濤 姚 近 王 敏

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

經(jīng)過四十多年的發(fā)展，星載相控陣天線已成為星載天線領(lǐng)域關(guān)鍵裝備之一。本文根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)需求，設(shè)計了一種星載多波束相控陣天線結(jié)構(gòu)。利用Ansys Workbench完成天線有限元建模，對天線進行了模態(tài)分析以及隨機振動、正弦振動仿真，得到了各工況下的天線應(yīng)力云圖和變形云圖，結(jié)果表明天線結(jié)構(gòu)基頻和結(jié)構(gòu)強度均滿足抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計要求，且兩套正樣件通過了飛行任務(wù)考核，驗證了該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性和合理性，為今后類似星載多波束相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)參考。

星載天線；多波束相控陣天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

1 引言

近年來，在各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，星載有源相控陣天線的需求與日俱增，且逐漸往高集成性、高節(jié)能性、空間環(huán)境通用性方向發(fā)展[1]。目前，星載多波束天線在我國低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設(shè)中占據(jù)十分重要的地位，而現(xiàn)有星載多波束天線的相關(guān)研究主要集中在電氣性能的優(yōu)化設(shè)計上，但對于天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析的研究較少[2～6]。本文根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)需求，給出了某星載多波束相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并考慮天線隨衛(wèi)星在火箭發(fā)射過程中遇到的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，基于Ansys Workbench有限元分析軟件對其抗力學(xué)環(huán)境性能進行了仿真和分析，進一步通過天線單機力學(xué)試驗和整星力學(xué)試驗驗證了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性和合理性。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

星載有源相控陣天線通常具有可展開結(jié)構(gòu)。天線陣面一般包含多個子陣，在衛(wèi)星發(fā)射之前，天線收攏并壓緊在衛(wèi)星艙板；當衛(wèi)星發(fā)射進入預(yù)定的軌道，開始工作時，通過展開機構(gòu)使天線陣面隨之展開[7]。受運載火箭發(fā)射平臺及裝載平臺體積限制，如何實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的輕量化已成為研制過程中迫切需要解決的共性問題，而有源相控陣天線其重量通常占到整個雷達載荷重量的80%以上，因此對其進行重量控制研究顯得十分重要[8]。星載有源相控陣天線作為特殊的艙外安裝電子設(shè)備，其單元天線的構(gòu)型以及陣面的排布幾乎完全由電尺寸決定。在滿足電尺寸的前提下，由于天線在隨衛(wèi)星升空過程中，會受到較大的振動與沖擊[7]。因而在設(shè)計時應(yīng)充分考慮整體剛度，選取比剛度（/）值較大的材料；（在滿足材料要求且相關(guān)工藝可行的條件下，盡可能采用薄壁結(jié)構(gòu)，減小本體尺寸，減輕整體重量，提高結(jié)構(gòu)件整體剛度，同時應(yīng)避免與形體結(jié)構(gòu)及部件的基頻耦合，綜合考慮需要做到體積小、重量輕、剛度好及加工、安裝工藝性能良好。

2.1 天線設(shè)計要求

根據(jù)航天器任務(wù)需求，某星載多波束有源相控陣天線為展開式干涉測高天線，是我國首次將基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號的有源相控多波束體制用于地理信息測繪，也是該技術(shù)的國際首次工程應(yīng)用。該天線需同時獨立覆蓋上下兩個空域，使用單一天線陣無法達到要求，需要采用雙天線陣面形式；與此同時，為了減小系統(tǒng)的探測誤差，需盡可能地降低天線陣面的整體高度，將上下陣面背靠背集成，對天線進行平面化、一體化設(shè)計；為滿足高增益天線陣面需求，意味著天線口徑面積增大，通道數(shù)量、設(shè)備復(fù)雜度、重量和成本都會成倍增加，綜合考慮，在設(shè)計時需要對天線整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，盡可能減輕重量設(shè)計；為提高天線相位中心穩(wěn)定度，保證天線陣面的結(jié)構(gòu)對稱性，使對稱區(qū)域天線單元具有互換性，安裝方便、可靠，天線陣面結(jié)構(gòu)需布局合理；作為艙外星載可展開天線，在設(shè)計中必須滿足星載平臺的使用需求，包括結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)基頻、溫度變化等。天線陣面的材料和相關(guān)工藝均選取具有飛行先例的成熟材料和工藝。強度和結(jié)構(gòu)也依據(jù)實際環(huán)境進行嚴格仿真，保證整個天線的環(huán)境適應(yīng)性。同時，該天線還需滿足表1所示技術(shù)指標。

表1 主要設(shè)計技術(shù)指標

2.2 天線結(jié)構(gòu)組成

某星載多波束有源相控陣天線主要由兩組天線單元（上下面各45個）、波束合成網(wǎng)絡(luò)（1個）、開關(guān)放大組件（45個）、45根多芯電纜及90根射頻電纜構(gòu)成的線纜組、線纜壓條、雙陰射頻連接器（45個）、天線陣面框架（1個）、壓緊裝置（5個）、展開機構(gòu)組成，如圖1所示。其中，每個天線單元重約260g，波束合成網(wǎng)絡(luò)重約6kg，開關(guān)放大組件重約50g，天線框架重約23kg，天線總重約51kg，天線本體尺寸為1688mm×1196mm×125.5mm。

圖1 天線組成示意圖

其中兩組天線陣面各45個單元分別安裝在主框架正反兩面，45個開關(guān)放大組件安裝在框架內(nèi)背靠背的2個單元天線之間，每一個組件分別對應(yīng)2個天線單元。為解決天線陣面線纜布線及組件與天線單元電連接問題，提出了一種基于SMA雙陰射頻連接器的盲插設(shè)計方法，通過兩個雙陰連接器分別與框架正反兩面的天線單元盲插配合，保障背靠背單元與組件連接可靠性，其連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 天線單元連接關(guān)系示意圖

針對星載有源相控陣天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計難點，同時滿足天線重量及星載條件下抗力學(xué)環(huán)境要求，對天線陣面框架進行了一體化設(shè)計，天線框架整體采用鋁合金板整體銑削加工成型，框架內(nèi)加強筋形狀與單元天線外形保持一致，整體呈蜂窩狀，既減輕了重量又保證天線展開精度及結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求?？蚣軆?nèi)部設(shè)計有45組成陣列分布的開關(guān)放大組件安裝孔，雙面背靠背各45組成陣列分布的天線單元安裝孔。天線框架在設(shè)計時，由45組背靠背天線單元構(gòu)成的區(qū)域，即天線陣面部分，一面為六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，另一面為凸臺安裝形式；同時為滿足可展開天線要求，對天線陣面下方進行了倒三角結(jié)構(gòu)一體化，引入加強筋并進行優(yōu)化。框架下方倒三角區(qū)域在波束合成網(wǎng)絡(luò)前端區(qū)域設(shè)計有線纜壓條固定點，后端設(shè)計有其他接口線纜固定卡子固定點，框架陣面區(qū)域設(shè)計有多芯線纜綁扎固定點。如圖3、圖4所示。

圖3 框架向下面

圖4 框架向上面

單元天線為正六邊形，采用薄殼腔體結(jié)構(gòu)，殼體選用鋁合金（2A12）材料，整體銑削加工成型，強度好，剛度高，重量輕，上下腔體結(jié)構(gòu)便于加工、裝配。連接點位6個，采用M2.5螺釘與框架連接緊固。

開關(guān)放大組件安裝在框架內(nèi)側(cè)45個獨立的腔體內(nèi)。連接點位4個，采用M2.5螺釘與框架連接緊固。兩根射頻線纜和一根多芯線纜兩端分別連接到開關(guān)放大組件和波束合成網(wǎng)絡(luò)上，如圖5所示。

圖5 TR組件安裝示意圖

波束合成網(wǎng)絡(luò)安裝在框架中部。連接點位12個，采用M5螺釘與框架連接緊固。

2.3 天線與衛(wèi)星連接方式

天線本體與衛(wèi)星的連接主要有兩方面：天線框架底部法蘭與固定于衛(wèi)星艙板的展開機構(gòu)通過12個M4內(nèi)六角螺釘連接。如圖6所示，天線陣面部分有5 處壓緊點，其中天線陣面中部及支撐倒三角區(qū)域兩側(cè)各有一個壓緊點，天線陣面頂部則有一個壓緊點，每個壓緊點下方為壓緊座，上方則為壓緊帽。衛(wèi)星進入預(yù)定軌道后，由程控發(fā)出指令，火工品控制器實施火工品解鎖，解鎖后壓緊座留在衛(wèi)星艙板，壓緊帽則隨天線本體展開。

圖6 天線壓緊點位置示意圖

3 天線抗力學(xué)環(huán)境仿真

天線抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計是為了保證天線滿足電尺寸的前提下，通過天線材料的選擇、天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計、安裝形式的調(diào)整、連接的方式等措施保證天線整體的強度、剛度的要求，保證天線在全壽命周期滿足電性能指標。

3.1 有限元模型及邊界條件

正確、合理地建立有限元模型是得到有效仿真結(jié)果的基礎(chǔ)，在有限元分析軟件Ansys Workbench16.1中建立天線結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖7所示。有限元建模時，需要在遵循仿真模型經(jīng)濟型和準確性的原則下，盡可能合理地等效、簡化模型，在保證計算精度的前提下，減少計算規(guī)模，提高分析效率。

為達到這一目的，首先對模型的倒角、圓角、凸臺以及螺紋孔等細小特征簡化去除，并刪除了部分對天線模態(tài)分析較小的零件；其次，給模型中各零件賦予相應(yīng)的材料屬性，包括密度、彈性模量以及泊松比等，與天線本體連接的展開機構(gòu)和5處壓緊裝置以及天線內(nèi)部螺釘連接均等效為剛體，利用bush單元設(shè)置相關(guān)剛度參數(shù)；再次，根據(jù)各零件之間的接觸、連接關(guān)系，設(shè)置好零件間相應(yīng)的接觸類型，其中天線中的零部件通過螺紋連接，在分析模型中進行了相應(yīng)的簡化處理。將相應(yīng)的零部件安裝孔進行6個自由度固結(jié)耦合，忽略了零部件螺紋連接處的局部應(yīng)力；最后，在Ansys Workbench中利用Meshing網(wǎng)絡(luò)剖分平臺對模型進行網(wǎng)格劃分，得到一個節(jié)點數(shù)目為1353199個，單元數(shù)量為715924個的六面體單元有限元模型。組成天線的材料參數(shù)見表2。

圖7 天線有限元模型

3.2 天線力學(xué)環(huán)境工況

表3和表4分別為該星載多波束天線的鑒定級環(huán)境試驗條件。

表3 鑒定級正弦振動試驗條件

表4 鑒定級隨機振動試驗條件

4 結(jié)果與分析

天線抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計是為了保證天線滿足電尺寸的前提下，通過材料的選擇，調(diào)整結(jié)構(gòu)安裝、連接方式等一系列措施以達到滿足設(shè)備的強度、剛度的要求，保證天線在全壽命周期滿足電性能指標。

4.1 模態(tài)分析

經(jīng)仿真計算，該天線的一階基頻為130.06Hz，一階振型如圖8所示。

圖8 天線一階振型圖

由圖8可知，天線第一階振型發(fā)生在天線陣面前端，根據(jù)設(shè)計要求，該天線壓緊態(tài)基頻需＞50Hz，因而該天線滿足技術(shù)要求。

4.2 隨機振動

經(jīng)仿真計算，該天線在隨機振動試驗條件下，對其3Sigma最大應(yīng)力及位移進行統(tǒng)計，列入表5。

表5 隨機振動響應(yīng)結(jié)果

如圖9和圖10所示，分別為天線隨機振動最大應(yīng)力云圖和天線隨機振動最大位移云圖。由表5及下圖可知，天線最大應(yīng)力發(fā)生在施加天線陣面法向方向激勵時，天線頂部壓緊點附近，最大應(yīng)力為189.38MPa，最大位移發(fā)生在施加天線陣面法向方向激勵時，天線框架頂部左上角天線單元邊框處，最大位移為6.299mm。

圖9 天線隨機振動最大應(yīng)力云圖

圖10 天線隨機振動最大位移云圖

4.3 正弦振動

經(jīng)仿真計算，該天線在正弦振動試驗條件下，對其3Sigma最大應(yīng)力及位移進行統(tǒng)計，列入表6。

表6 正弦振動響應(yīng)結(jié)果

如圖11和圖12所示，分別為天線正弦振動最大應(yīng)力云圖和天線正弦振動最大位移云圖。由表6及圖11可知，正弦最大響應(yīng)發(fā)生在100Hz的方向激勵下，此時最大應(yīng)力產(chǎn)生在天線陣面中部區(qū)域，其值為34.974MPa，最大位移為0.763mm，位于天線陣面框架頂部兩側(cè)單元邊沿。

圖11 天線正弦振動最大應(yīng)力云圖

圖12 天線正弦振動最大位移云圖

4.4 強度校核

某星載多波束相控陣天線安裝在衛(wèi)星艙板上，為重要的艙外設(shè)備，對結(jié)構(gòu)強度和剛度具有較高的要求。在保證設(shè)計極限載荷下，天線結(jié)構(gòu)部件應(yīng)具有一定的安全裕度。金屬的強度安全裕度..≥0.12。安全裕度定義為：

..=Sa/Se-1

其中：Sa為極限載荷；Se為設(shè)計載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。

由仿真結(jié)果可知，天線最大應(yīng)力max=189.38MPa可以根據(jù)公式計算結(jié)構(gòu)的強度裕度：其中σ=370MPa；max=189.38MPa結(jié)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力；安全系數(shù)取1.5，則：

..=370MPa/(189.38MPa·1.5)-1=0.3＞0.12

結(jié)構(gòu)強度滿足安全裕度。

5 試驗驗證

該星載多波束有源相控陣天線先后完成了正樣件單機及整星的鑒定級、驗收級正弦振動和隨機振動試驗，如圖13所示，試驗后天線結(jié)構(gòu)無任何物理損傷，該星載多波束有源相控陣天線試驗前后電性能保持一致，通過了單機及整星的鑒定級、驗收級力學(xué)環(huán)境試驗的考核。天線結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)技術(shù)指標要求，基頻與支撐結(jié)構(gòu)的頻率無頻率耦合現(xiàn)象；天線的自身強度以及與星體的連接強度滿足安全裕度要求。

6 結(jié)束語

本文對某星載多波束有源相控陣天線進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，將上下陣面背靠背集成，對天線進行平面化、一體化設(shè)計。通過Ansys Workbench對其進行了相關(guān)力學(xué)仿真。結(jié)果表明，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足技術(shù)要求。并且天線正樣件已經(jīng)進行了相關(guān)星載環(huán)境試驗，試驗結(jié)果表明天線結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠。目前，該天線已隨星發(fā)射并入軌運行，各項性能指標穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好，成功實現(xiàn)了基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號的有源相控多波束體制用于地理信息測繪技術(shù)的國際首次工程應(yīng)用。

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Structure Design and Analysis of A Space-borne Multi-beam Phased Array Antenna

Han Bo Guo Rui Liu Yinghu Ni Tao Yao Jin Wang Min

(20th Institute of Chinese Electronics Technology Company, Xi’an 710068)

After more than 40 years of development, space-borne phased array antennas have become one of the key equipments in the field of space-borne antennas. According to the assignment of satellite, a space-borne multi-beam phased array antenna structure is designed, and a finite element model of the antenna is established based on Ansys Workbench. Then the modal analysis, random vibration analysis and sinusoidal vibration analysis of the antenna are performed, and the stress cloud diagram and deformation cloud diagram of the antenna under each working condition are obtained. The results show that the fundamental frequency and structural strength of the antenna structure fully satisfies the requirements of mechanics environment. And two sets of prototypes have passed the flight mission assessment, which verifies the feasibility and rationality of the antenna structure design. It can be used as guidance for the structure design of similar space-borne multi-beam phased array antenna in the future.

satellite antenna；multi-beam phased array antenna；structure design；finite element analysis

V19

A

韓博（1994），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2023-05-29