一种大型桁架卫星通信天线座架的优化设计

米月英

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

桁架式天线是指天线座架［1］为桁架的天线，结构简单，加工成本低，但是精度较低，刚度较差。随着卫星通信的发展，为了降低成本，桁架天线越来越多被采用，由于大型天线［2］口径大，波瓣窄，对天线座架结构要求更高，需要采用复杂的桁架结构和繁琐的调整轴系，而且大型桁架天线在大风等情况下易出现不稳定现象，也就是座架结构系统刚性差，间隙大，天线定位不准问题。为了较好地解决该问题，在天线座架结构设计中重点考虑了各结构件实际工作环境下的刚度强度问题和精度问题，对大型桁架天线座架关键部位的结构件的结构进行了优化设计和稳定精度保证设计。

在天线结构整体设计阶段，采用了Pro/E三维设计软件进行结构设计，利用仿真软件MSC．Patran/Nastran对天线结构进行结构力学分析和仿真，加强和优化主结构件关键部位。根据仿真和实验结果以及实际使用效果显示，天线的结构特性均优于技术指标和使用要求。下面以13 m桁架天线为例，介绍解决这个问题的过程。

1 影响天线指向稳定精度的因素

据系统要求，天线系统在任意工作条件下要实现准确的手动/自动跟踪卫星功能。为此天线座结构应具有足够的刚度、强度［3］和传动精度，才能保证天线指向的稳定性，从而才能保证整个伺服系统的稳定性和动态响应。

影响天线指向精度的因素主要有温差、风载荷、轴系精度、传动精度和同步系统的联接精度。

在上述几个精度指标中，最难以解决的是以风载荷和温差引起的天线位移，天线在工作时，由于天线本身自重原因，俯仰方向受风力影响较小，方位方向受风力影响较大，特别是在天线侧吹的情况下最为严重。

如何在最大限度减轻天线重量的前提下，能够排除和降低在工作环境下对天线产生的不利影响，保证其可靠工作的天线结构至关重要。

2 座架结构设计与优化

技术指标要求:60°C温差和工作风速18 m/s下保精度［4］;风速25 m/s降精度;天线稳定精度为0.08°和相心变化为10 mm;风速40 m/s(天线任意位置)和56 m/s天线朝天收藏状态不破坏。

为了能够使大型桁架天线座架满足高稳定使用要求和最大限度的降低成本，对已有的天线座架进行了大量的优化工作，优化后的天线结构如图1所示。

图1 优化后的天线结构

2.1 主座架结构的优化与设计

原有仿制进口的座架采用桁架式方位－俯仰型结构(如图2所示)，方位驱动安装在上部，需要座架采用强壮的5根直径140 mm杆件支撑，这样才能保证方位驱动装置稳定和保证天线在方位方向的稳定性;俯仰驱动安装在圆筒上，需要圆筒承受俯仰所有的力，座架结构庞大，重量达到26 000 Kg，但是效果却不理想，常常由于大风产生晃动，且方位驱动在维护时需要在高空作业。针对以上问题，对座架进行了优化设计，选用同等钢材Q235，优化后天线座架重量为16 000 Kg，方位稳定精度为0.055°。

图2 仿制进口的天线结构

2.1.1 主座架结构形式改变

方位驱动放置从上部放置到下方，把方位驱动装置通过驱动支座与地基相连接，方位方向上的力全部由地基承受，只需在地基上安装相应的地脚螺栓就能够满足要求。这样后支杆仅承受俯仰方向上的力，完全没有必要采用五根支撑杆，在保证方位转动方位的情况下，改为了3根杆件。俯仰驱动位置由圆筒处改为了后置安装，使圆筒仅承受方位方向的扭转力矩，如图3所示。

图3 主座架优化

2.1.2 主座架底座变小

在满足天线方位转动范围和驱动转动范围的情况下，根据天线所承受的风力矩和风载荷确定后支杆底座的大小。

风力矩和风载荷可按下式计算:

式(1)和式(2)中:CM为风力矩系数;CF为风力系数;q为动压;A为天线面积。

底座三角形大小由底边长和高均为6.2 m经过结构优化变为底边长5.4 m和高为3.8 m(是原来大小的1/2)，在温差和风载荷的影响下，由于杆件长度变短和合理布局，后支杆为三根杆座架稳定精度优于五根较大的后桁架座架(座架用的杆件直径均相同)，使得简易的三杆结构满足了高精度的定位要求。

2.1.3 圆筒直径变粗

由于方位扭矩较大，为了提高方位扭转刚度，圆筒直径由原仿制圆筒直径900 mm，增加为1 060 mm，壁厚均为16 mm。经过公式:

式中:θ为扭转角;M为扭矩;L为主筒长;J为扭转惯性矩;D为圆筒外径;d为圆筒内径。方位扭转角度误差由0.076°减小为0.055°。

2.2 轴系精度

座架为方位轴和俯仰轴，轴系精度分方位和俯仰轴系精度，轴系精度除间隙引起的间隙误差在天线安装和设计过程中可以通过调整等措施避免，其它误差同轴和垂直造成的误差一般均为固定误差，由于结构的庞大，很难达达到很高精度。

固定误差过大对座架的长期使用会造成不良影响，会产生转动不灵活造成伺服无法跟踪及出现异常噪音和磨损不均匀。因此要求固定误差方位轴与地基安装天线平面的垂直度误差［5，6］小于 20″;方位轴和俯仰轴垂直度误差小于30″;天线由0°至90°时的俯仰丝杠运动轴线垂直于俯仰轴，其不垂直度不大于20″。由于结构庞大，使固定误差变小是技术上的一个难点。

以前均采用分体结构设计，轴座安装后靠人工调整达到设计要求，调整不仅浪费大量时间，加工成本高，而且安装精度也不宜保证，调整完成后，即使打销定位，也随着长期使用个别天线轴座会产生定位变化，误差增大，天线会在使用过程中，转动电机电流过大，天线转动不灵活，出现噪音和抖动，由于结构庞大维修调整非常困难，常常需要停机天线，仰天收藏后重新调整。经过优化设计，适当降低上方位轴和简化优化俯仰轴座，使得方位轴座和俯仰轴座与主筒一体化设计，一次成型加工，靠加工保证了同轴度精度和垂直度。安装后无需调整，即能够达到比调整要高的精度，经过长期使用，不会产生支座位移。

方位轴和俯仰轴的轴系精度的保证与优化设计优化如图4所示。

图4 轴系设计优化过程

2.3 同步装置的连接精度设计

同步装置采用无回差波纹管联轴节设计如图5所示，波纹管联轴节保证无回差连接，且对连接两轴的同轴精度要求仅为0.1 mm，就能满足要求。波纹管联轴节即能够保证无回差连接，又使得安装和调整方便。

图5 同步装置无回差连接

2.4 驱动装置的高精度设计

驱动系统采用高精度的平面二次包络面蜗杆副和可调的高精度丝杠传动结构如图6所示。［3］丝杠和螺母采用了高精度的制造，丝杠的总误差不大于0.08 mm，对于特殊使用间隙可以调整为0.02 mm，方位转动支臂约为1 300 mm造成方位转角误差为0.000 9°，全程使用可调整间隙为0.09 mm，造成方位转角误差为0.004°。由于间隙微小，可以采用式(5)计算:

式中:L为转动支臂长;H为间隙;δ为转角误差。

图6 驱动装置高精度设计

3 天线结构的力学分析

由于天线的结构很复杂，很难用解析的方法得到其解析解，因此采用专业有限元分析软件MSC．PATRAN/NASTRAN进行力学分析和仿真。

3.1 有限元模型的建立和分析

此天线系统由天线和座架两大部分组成:天线结构部分主要由主反射面、副反射面、反射体骨架、副反射面支撑装置和馈源套筒等组成;天线座架结构部分主要由主座架、方位和俯仰驱动组合组成。

由天线系统的结构形式，并根据其工作的实际情况，建立了其力学分析 模 型［7－9］如 图 7所示。

为降低软件的计算量和复杂度，先对天线整体结构进行简化，去掉冗余节点，再采用MSC.PATRAN软件单独对其组成零件划分网格，最后将划分好的网格进行组装，进行分析计算。天线所受的载荷，主要包括天线的自重、风载荷和温差。

根据工作需要，方位转动范围为180°，俯仰为90°。在此工作范围，计算天线在18 m/s风速、25 m/s风速、40 m/s风速、56 m/s风速和 60°C 温差的受力情况，经过对各个特殊工作角度的计算，找出了天线仰角45°和方位185°工作位置，背吹天线应力最大，侧吹变形最大。

图7 工作状态有限元模型

3.2 分析计算结果

3.2.1 有限元静力分析结果

有限元静力分析结果如表1所示。

表1 静力学分析计算结果

从表1中可以看到如下数据:钢材的许用应力为235 Mpa，通过计算此天线系统的最大应力为180 Mpa完全满足技术要求。在工作风载荷影响和传动共同影响下，最大转角误差为0.055°。小于允许的指向误差0.08°。在工作风速下相心变化小于10 mm。

3.2.2 动力分析及计算

在进行天线结构谐振频率［10］有限元仿真分析时，由于受条件限制，分析中仅包含了天线反射体、俯仰部分、方位部分，而各部分的动力驱动系统(减速机及电机)没有参与计算分析，因此计算结果为天线和座架结构支撑部分的结构谐振频率。而实际测试时包含了驱动系统(减速机、电机)，因此实测结果要比有限元仿真分析的结果低。

天线结构的谐振频率(包含驱动系统)与减速机的扭转刚度和转动部分的转动惯量有关，天线结构谐振频率［1］的计算式:

式中:f为天线结构谐振频率;k为负载轴扭转刚度;J为转动惯量。

经三维模型计算天线结构转动惯量J=155 124 kg·m2，所选用的减速机扭转刚度折算到负载轴k=4.06×107N·m/rad。将天线反射体的转动惯量J和减速机的扭转刚度k代入，计算后得出结构谐振频率f=2．57 Hz。满足使用要求。

3.3 实际使用效果验证

该桁架天线已经实际安装的有20余套，遍布国内外，均使用超过5年以上，经历了包括台风、地震和冰雪灾害在内的各种恶劣天气考验，均完全满足使用要求，未出现由于设计原因造成的传输误码和信号不稳现象。主座架经优化过的关键部件未出现以往相似工程中出现的刚度、强度不足的问题;轴系结构的高精度设计不仅安装方便快捷，而且连接稳定可靠;驱动装置和同步装置的高精度设计，使得传输信号准确也起到了保障作用。

4 结束语

13 m桁架天线的设计针对桁架天线的工作模式和环境特点进行了较为深入的研究，找出了结构设计过程中需要增强或优化的多个关键点，验证了天线结构的力学性能完全满足设计要求。在天线结构的设计与优化过程中，采用专业软件，较好地解决了天线结构重量、强度和刚度的优化设计，高精度轴系设计，同步连轴设计和驱动装置高精度等主要问题，保证了天线系统精度较高，结构性能良好等指标，从五年来实际使用过程中的具体通信效果来看，结构各项性能指标均完全满足系统要求。

由于国内的大型桁架卫星通信天线用途越来越广，13 m桁架天线的研究结果对类似的桁架通信天线的研发可以提供相应的技术参考和借鉴。需要指出的是，各种桁架天线拥有各自不同的特性，相应的对天线结构的要求也有所不同，建议今后对不同的桁架天线，应进一步增加针对性的设计工作。

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