一种VHF/L双波段共口径天线结构设计*

严 诺，王 虎

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

一种VHF/L双波段共口径天线结构设计*

严 诺，王 虎

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

为满足某雷达系统功能要求，设计了一种VHF/L双波段天线，使两个波段天线共口径安装，从而达到减少雷达设备量、降低天线体积和重量的目的。文中针对双波段天线的总体要求，对天线骨架、折叠机构、辐射单元及其翻转机构等天线结构组成的设计进行了详细阐述。对天线骨架的抗风能力进行了有限元仿真分析，并根据仿真结果进行了局部结构改进设计，达到了系统指标要求。该VHF/L双波段共口径天线结构紧凑，工作可靠，对类似的双波段天线结构研制具有一定的借鉴作用。

双波段；共口径；天线结构；折叠机构

引 言

随着各种不同用途雷达系统的发展，对雷达系统的功能要求越来越多，往往同一个天线阵面上需要布局多个频段的天线[1]。在雷达天线的设计过程中，系统的运输性是结构设计必须考虑的重要问题之一[2]。

某雷达系统转场时必须满足公路运输条件，在工作状态时要求天线能够可靠展开。同时，雷达天线展开架设要求方便、快捷，撤收、运输要求安全可靠。为满足雷达工作的各项指标，文中研制了一种新的天线结构形式。在结构设计时从系统结构组成、边块折叠方法与原理、辐射单元的翻转与倒伏、天线骨架力学仿真等几个方面考虑，以提高雷达天线系统的环境适应性和可靠性。

1 天线结构设计

1.1 总体要求

如图1所示，该天线安装在X-Y型天线座上，工作状态时，天线展开后阵面法向垂直向上为0°，抗风要求在风速≤17 m/s时正常工作，风速≤35 m/s时结构不破坏。如图2所示，运输状态时，天线撤收后要求宽度尺寸小于2.5 m，高度尺寸小于2.9 m。

1.2 天线系统结构组成

天线系统结构示意如图3所示，主要由中心骨架、边骨架(左右各一片)、辐射单元翻转机构、天线折叠机构、L波段天线反射板、下安装板、L波段功分网络、VHF波段功分网络、L波段辐射单元、VHF波段辐射单元等组成。VHF辐射单元安装在骨架的顶部，L波段辐射单元安装在L波段天线反射板上，折叠机构安装在中心骨架内，功分网络安装在底部的下安装板上，以方便元器件维修。

图1 天线工作状态示意图

图2 天线运输状态示意图

图3 天线结构组成

1.3 天线骨架

在结构设计中，天线骨架主体是采用6063铝管拼焊而成的桁架式结构。在主要的受力部位，如边块翻转铰接处，焊有铝管斜撑杆增加局部强度。这种结构在减轻天线重量的同时可确保天线骨架整体具有足够的刚性。该天线阵面尺寸为5.5 m × 5 m，为满足雷达系统在转场时的公路运输和天线自动架设的要求，将天线骨架分成3部分，分别是左、右边骨架与中心骨架。骨架整体结构为经典的鱼骨形结构[3]，中心骨架上下两层共8根主梁采用外径50 mm、壁厚3 mm的铝管作为主承力支撑，在主梁之间采用外径40 mm、壁厚3 mm的铝管搭建成一个空间桁架结构。在中心骨架中央上层安装L波段天线，下层为下安装板，用于天线与天线座连接的安装接口。在骨架中部桁架上布置了一组用于左、右边骨架的运输折叠机构，为实现折叠机构的维修可达性，上、下安装板均采用螺接与骨架相连。左、右边骨架结构上完全对称，主、次梁铝管截面与中心骨架相同，天线骨架如图4所示。

图4 天线骨架组成示意图

1.4 天线折叠机构

为满足雷达系统运输兼容性，运输时天线左、右边块需折叠，文中采用一组基于曲柄滑块机构原理的组合式折叠机构，实现了天线工作状态与运输状态的姿态转换。具体由伺服电机驱动减速机，然后通过T形换向器驱动丝杠螺母副，丝杠螺母副左、右两段螺纹旋转方向相反，从而实现左、右边块同步展收。机构动力传递路线为：伺服电机→减速机→T形换向器→丝杠螺母副→左、右边骨架。折叠机构示意图如图5所示。

图5 折叠机构示意图

选用伺服电机+减速机的组合方式，一方面可以实现较大的减速比，另一方面重量轻、结构相对紧凑，适合中心骨架内部安装。传动丝杠选用普通T型丝杠，可以保证天线在工作状态和撤收状态之间任意位置自锁。丝杠通过两端的支座安装在下安装板上，滑动轴承选用自润滑、免维护、长寿命的工程塑料轴承，能够满足长期户外工作需求。天线折叠和展开都绕着联结销轴转动，结构简单，工作可靠，保证天线多次折叠展开后的阵面重复精度[4]。

每个边块重量约150 kg，计算得到丝杠驱动力矩ΣTq≥75 N·m。天线翻转过程中，螺母所需总行程为260 mm，边块展收时间不大于2 min，丝杠螺纹规格选用梯形螺纹(外径40 mm，导程 7 mm)，则丝杠的转速n≥ 260/(2 × 7) = 18.6 r/min。

根据以上计算结果及安全余量，伺服电机初选0.45 kW交流伺服电机，其额定力矩为2.86 N·m，额定转速为1 500 r/min。减速机速比为67，则折叠机构的末端输出力矩T= 2.86×67×0.9 = 172 N·m，满足ΣTq≥75 N·m的要求。折叠机构末端输出转速nm= 1 500/67 = 22.4 r/min，满足最小转速n= 18.6 r/min的要求。

天线展开到位后，为确保天线阵面的面精度满足电讯指标要求，工作时天线结构应可靠稳定。在天线骨架上设置4组共8处手动的快锁机构，将两个边块与中块稳定可靠地锁紧，同时兼作拼接定位的功能，以保证阵面精度。快锁机构如图6所示。

图6 快锁机构示意图

1.5 辐射单元及其翻转机构

(1)辐射单元

L波段辐射单元与VHF波段辐射单元均由天线罩、振子、内导体、外导体和连接器组成，仅在结构尺寸上有所差异，各零件间均采用螺钉带胶密封连接，确保良好的室外环境适应性。辐射单元结构如图7所示。

图7 VHF/L波段辐射单元结构示意图

整个天线阵面由8×8共64个L波段辐射单元与6×6共36个VHF波段辐射单元内外交叉平行排列组成，两个阵面物理中心重合。64个L波段辐射单元安装在L波段天线反射板上，反射板有足够的刚度可以确保在外载荷作用下阵面精度小于0.5 mm。36个VHF波段辐射单元分布安装在天线骨架顶部各翻转机构摆动杆安装块上，所有安装块上表面采用一次加工成型，3块骨架拼接后通过快锁机构完成定位并锁紧，通过计算分析，架设后阵面精度小于4 mm。

(2)翻转机构

根据整个雷达结构布局要求，运输状态天线边块撤收后，因VHF波段辐射单元尺寸较高，需翻转90°倒伏，在降低运输尺寸的同时也起到保护辐射单元的作用。文中通过6个手动翻转机构，使6列VHF波段辐射单元分别联动倒伏。翻转机构由支座、摆动杆、滑动轴承、手柄、固定板、导向柱及固定螺钉等组成。辐射单元工作状态和倒伏状态均通过固定螺钉和固定板上2个螺纹孔完成锁定。在固定板上设置导向槽，手柄上的导向柱可完成辐射单元的翻转导向和定位作用，以保证辐射单元与天线骨架的位置精度。翻转机构如图8所示。

图8 翻转机构示意图

1.6 功分网络组件

天线系统内有3种共6个功分网络组件，分别安装在左、中、右骨架上。各组件结构设计上按室外密封要求设计，盒体盖板上设置密封圈，连接器选用密封防水型，各电缆插座尾部灌封聚氨脂密封胶防护，提高环境适应性和可靠性。

2 骨架力学仿真分析

天线系统在工作状态下应考虑自重和风载荷对系统的影响，应确保在自重和17 m/s风速作用下保证精度工作，在自重和35 m/s风速作用下系统结构安全、不破坏。文中通过ANSYS有限元分析对天线骨架结构进行了刚强度、安全性校核，计算结果如图9、图10所示。

图9 天线骨架应变云图

如图9所示，天线的最大弹性变形发生在天线骨架两个边块的最外侧。最大弹性变形量为10 mm，由于此处并没有安装辐射单元，因此对电讯性能影响很小，安装辐射单元处变形量最大为3 mm，优于总体指标最大动态变形量8 mm的要求。实际安装运行后，电讯指标满足总体要求，效果良好。

图10 天线骨架应力云图

如图10所示，最大应力σmax= 101.67 MPa，出现在与转台连接的天线的安装孔处。由于天线安装板的材料选用铝板5A06，屈服应力σs= 135 MPa，安全系数取1.8，则许用屈服应力[σ] = 135/1.8 = 75 MPa <101.67 MPa，不能满足强度要求[5]。因此必须进行设计改进，将安装板的通孔改为螺纹孔，每个螺纹孔安装带外螺纹的钢制轴套，材料选用45号钢，σs=345 MPa，再通过螺栓与转台连接，则[σ] = 345/1.8 =191.7 MPa > 101.67 MPa，满足强度要求。

3 结束语

本文对一种VHF/L双波段共口径阵列天线的结构进行了系统的设计分析，实现了雷达系统在转场时的公路运输和天线自动架设的要求。相比其他类似天线结构具有结构简单、紧凑，重量轻，展收操作方便等特点。雷达系统总成后，经电讯调试、测试后，各项指标均满足总体要求。

[1] 叶尚辉, 李尚贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1986.

[2] 洪林峰. 大、中口径车载雷达运输性探讨[J]. 电子机械工程, 2011, 27(5): 12-14.

[3] 查金水. 某米波雷达天线系统结构设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(2): 26-29.

[4] 钱海涛, 刘湛, 程林. 新型雷达天线俯仰举升结构设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(1): 29-32.

[5] 成大先. 机械设计手册(第3卷)[M]. 北京: 北京化学工业出版社, 2007.

严 诺(1974-)，男，高级工程师，主要从事雷达结构总体及天线结构设计工作。

Structure Design of a VHF/L Dual-band Shared-aperture Array Antenna

YAN Nuo，WANG Hu

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In order to meet the functional requirements of a radar system, a VHF/L dual-band array antenna is designed to realize dual-band shared-aperture, thereby to reduce the amount of radar equipment and reduce the size and weight of antenna. Designs of antenna framework, folding mechanism, radiation elements and its turnover mechanism are expatiated for the system requirements of dual-band antenna in this article. The wind resistance capability of antenna framework is analyzed by finite element simulation, and partial structure improvements are carried out based on the simulation results to reach the system requirements. The VHF/L dual-band shared-aperture antenna is compact and reliable, and provides some reference value for similar antenna structure design.

dual-band; shared-aperture; antenna structure; folding mechanism

2015-06-23

TN957.2；TN957.8

A

1008-5300(2015)05-0038-04