天线结构型式对雷达整机性能提升的方案探讨

李 成 丁 飞

(安徽四创电子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

1887年著名物理学家赫兹为验证数学家麦克斯韦预言的电磁波设计了第一个天线。之后，随着对远洋通信、天地通信、空天通信等迫切需求以及无线电电子学科快速发展，天线的设计方法及应用领域不断拓宽。历经百年的发展与演变，天线已是无线电通信、广播、导航、雷达、遥测测控等各类无线电通信系统中不可或缺的设备。

尤其在雷达领域，雷达的结构设计和制造工艺是雷达研制过程中的重要环节，它对保证雷达的优良性能起着重要的作用。精巧的结构设计是雷达性能和质量的重要保证[1]。天线作为空间能量转换器和空域信号处理器是其必不可缺的子系统。由于天线的型式与种类繁多，天线的用途、工作状态、型式和尺寸也不相同，对其要求也各不相同。

1 雷达对天线的要求及技术指标

1.1 雷达对天线的要求

在雷达领域，天线作为空间能量转换器和空域信号处理器是其必不可缺的子系统。由于其用途、工作状态、应用环境和场合的不同，每一种情况都有它的特殊要求，但是归纳起来，总有几个方面是必须考虑的[2]。

1)天线性能及工作状态的的要求

天线应满足雷达整机的战术和技术要求的各项电性能指标。这些指标决定了天线的型式与尺寸大小。根据雷达的用途不同，天线的工作状态分为固定式和运动式等两种。

2)天线结构机械性能的要求

①天线在各种载荷作用下，应具有足够的强度，保证不发生破坏；

②天线在工作时，应具有足够的刚度，即在各种载荷作用下，结构变形应限制在允许的范围内；

③结构重量要轻。重量与强度或刚度的要求往往是矛盾的，因此选择材料和结构型式应力求先进，如采用薄壁结构、桁架结构以及强度大而重量轻的材料等。

④结构所受的风阻力尽量小。

3)天线结构可靠性及制造工艺的要求

天线应能适应各种环境条件与战争条件，应能防腐蚀、耐热、耐低温等。先进的制造工艺支撑着雷达技术的发展，是雷达技术发展的有效保证。

1.2 二次雷达对天线的要求及技术指标

二次雷达具有作用距离远及较好的方位精度。同时由其机场区域飞机密度大，为保证航管的可靠性，则要求二次雷达具有较高的数据率，即应有较高的天线转速和重复频率。为实现二次雷达的各项关键指标，一般采用全波振子为基本单元的和差天线阵[3]。在水平面内要求强方向性，就要求天线阵在水平面内排列的单元多，尺寸大；在铅垂面内要求足够的覆盖角度，则要求天线阵在垂直面内尺寸小。故二次雷达天线阵采用大垂直孔径天线[4](其天线结构总体见图1所示)。但由于该类天线通常转速快且自身惯量大，仅仅由于本身重量引起的变形就可能超出精度要求，面对机场环境，同时还需具备高抗风能力和高防护性能等特性，因此，在结构设计中引入力学仿真和优化设计十分必要。

依据二次雷达对天线的要求，天线的设计指标如下：

1)天线型式：栅栏式阵面天线结构；

2)天线口径(长×宽)：7900mm×1700mm；

①室外工作：360°方位旋转工作；

②抗风能力： 工作风速≤45m/s；

3)天线阵面精度：σ<0.68mm(均方差)；

4)在最大工作载荷(风速45m/s)下天线结构的不发生塑性变形，天线结构各部分均不产生强度失效，强度校核安全系数不小于1.3[5]。

1.3 天线结构材料的选择

按照工程经验，当结构刚度满足要求时，结构强度基本上能够满足要求。经过综合比较并结合实际应用，天线列馈辐射单元、天线反射棒、天线箱体中的骨架、蒙皮及天线支架采用5A06铝合金，天线箱体中的支耳、俯仰机构采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。

表1 材料力学性能

1.4 天线风载荷计算

天线工作时载荷有两种，一种是垂直方向载荷，取决于设备自身的重量；另一种是水平方向载荷，主要是天线在极限工况下的风载荷。整机系统要求在45m/s风速下天线能正常工作不发生塑性变形。由风力计算公式[2]：

(1)

式(1)中，F为风阻力；v为风速；A为二次天线特征面积13.6m2；ρ0为空气密度(计算时取0.125kg/m3)；CF为水平风阻力系数，不同风向角时的水平风阻力系数见表2。

表2 风向角与水平风阻力系数对应表

风向角(°)CF风向角(°)CF风向角(°)CF00.328750.291500.47150.34900.311650.41300.41050.3481800.399450.421200.438600.3831350.48

由表2可知，风向角为135°时，水平风阻系数最大为0.48，与此相应的风阻力也最大。根据天线迎风面特征面积A和风阻系数CF，由风力计算公式计算出天线结构在45m/s风速下的负载为8.5kN。其天线风载方向示意图见图2。

图2 雷达天线风载方向示意图

2 A方案：框架铆接天线的力学分析

2.1 框架铆接天线的结构型式

本方案采用空间桁架铆接骨架箱体结构。根据该方案天线结构按照力学模型主要分为三部分：最前端是由列馈辐射单元、反射棒等单元组成的天线阵面；中间是天线箱体，承载天线阵面及箱体内部馈电网络；天线箱体下方是由天线支架、支耳、俯仰机构等单元组成的整个天线支撑结构。该方案天线箱体内部结构示意如图3所示。

图3 A方案天线箱体内部结构示意图

2.2 力学分析

1)天线自重

在考虑结构自重影响的工况下，铆接箱体的重量为440 kg，施加惯性载荷9.8 m/s2。

P=mg=440kg×9.8m/s2=4410N(质量M=440kg)

(2)

2)仿真分析计算结果

根据二次监视雷达技术规范及技术条件要求，当风速≤45m/s时，应保证二次天线正常工作，因此主要计算天线结构的强度应力数值，计算结果如图4至图6所示，天线结构铝合金位置的最大应力109.9MPa，天线结构不锈钢位置的最大应力197MPa。

图4 A方案天线箱体45m/s风速下骨应力分布

图5 A方案天线结构铝合金位置应力云图

图6 A方案天线结构不锈钢位置应力云图

通过计算天线阵面的均方差数值，如图7所示，在天线阵面上均匀选取105个点的变形数值，求得随机误差及平均误差，代入天线阵面均方差计算公式(3)：

(3)

图7 A方案天线阵面误差取值模型(风速45m/s)

式(3)中：si为随机误差；s0为平均误差；n取值数。

通过以上力学仿真分析，可以得出天线阵面精度计算结果及结论(见表3)及天线强度计算结果及结论(见表4)。

表3 天线阵面精度计算结果及结论

计算工况最大变形计算结果(均方差)指标要求(均方差)结论风速45m/s5.79mm0.4653<0.68满足精度指标要求

表4 天线强度计算结果及结论

计算工况天线材料屈服强度(MPa)最大应力(MPa)安全系数结论风速45m/s铝合金5A06155109.91.4不锈钢1Cr18Ni9Ti2751971.4满足安全要求

2.3 框架铆接天线存在的不足

本方案天线箱体采用空间桁架骨架外包铝蒙皮铆接箱体结构形式设计。其产品加工技术成熟，但其零部件过多，导致加工周期长，装配流程繁琐；焊缝以及铆接点过多，只能采用带胶铆接密封方式；随时间增长容易出现锈蚀、脱胶、漏水等缺陷。同时天线箱体外表面蒙皮铆钉连接处打胶鼓包大小不一，影响美观及可靠性。

3 B方案：整体焊接天线的力学分析

3.1 整体焊接天线的结构型式

本方案将铆接箱体改为焊接箱体，箱体整体采用铝合金材料，焊接采用搅拌摩擦焊技术。搅拌摩擦焊这种连接技术与传统概念中的摩擦焊方法相似，不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入关键的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料搅拌摩擦来完成焊接。该技术的优越性：没有气孔出现的可能性；在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能；焊后变形小、残余应力小；焊接成本低、效率高。本方案箱体整体采用薄铝板及铝型材焊接成形，其余部分的安装接口尺寸均和铆接箱体相同。该方案天线箱体内部结构示意如图8所示。

图8 B方案天线箱体内部结构示意图

3.2 力学分析

1)天线自重

在考虑结构自重影响的工况下，焊接箱体的重量为400kg，施加惯性载荷9.8m/s2。

P=mg=400kg×9.8 m/s2=3930N(质量M=400kg)

(4)

2)仿真分析计算结果

根据二次监视雷达技术规范及技术条件要求，当风速≤45m/s时，应保证二次天线正常工作，因此主要计算天线结构的强度应力数值，计算结果如图9至图11所示，天线结构铝合金位置的最大应力150MPa，天线结构不锈钢位置的最大应力75MPa。

图9 B方案天线箱体45m/s风速下骨架应力分布

图10 B方案天线结构铝合金位置应力云图

图11 B方案天线结构不锈钢位置应力云图

图12 B方案天线阵面误差取值模型(风速45m/s)

通过计算天线阵面的均方差数值，如图12所示，在天线阵面上均匀选取105个点的变形数值，求得随机误差及平均误差，代入天线阵面均方差计算公式(5)。

(5)

式(5)中：si为随机误差；s0为平均误差；n取值数。

通过以上力学仿真分析，可以得出天线阵面精度计算结果及结论(见表5)及天线强度计算结果及结论(见表6)。

表5 天线阵面精度计算结果及结论

计算工况最大变形计算结果(均方差)指标要求(均方差)结论风速45m/s2.5mm0.5129<0.68满足精度指标要求

表6 天线强度计算结果及结论

计算工况天线材料屈服强度(MPa)最大应力(MPa)安全系数结论风速45m/s铝合金5A0615577.622.0不锈钢1Cr18Ni9Ti27552.695.2满足安全要求

3.3 与传统铆接天线箱体的对比

本方案天线箱体采用薄铝板整体焊接结构形式设计。其产品结构简单，零部件数量少，加工周期短，整体密封性好且适合批量生产、防雨性良好、外形美观。该方案天线箱体整体外观如图13所示。铆接箱体和焊接箱体的性能指标对比如表7。

图13 B方案天线箱体整体外观图

表7 铆接箱体和焊接箱体的性能指标对比

名称A方案-铆接箱体B方案-焊接箱体结构形式采用空间桁架铆接采用铝板整体焊接天线口径(长×宽)7900mm×1700mm7900mm×1700mm零部件数量83个品种约450件13个品种约49件结构及制造工艺零部件数量较多、结构比较复杂、加工周期较长、密封胶防雨寿命有限、铆接结构外形凸起影响美观等问题采用成熟制造工艺,易于批产、防雨性良好、外形美观制造成本及周期成本较高,加工周期较长成本、制造周期优势明显天线质量440kg400kg天线阵面精度(相同工况下)σ=0.4653<0.68mm(均方差)σ=0.5129<0.68mm(均方差)天线整体强度(相同工况下)铝合金安全系数为1.4>1.3铝合金安全系数为2.0>1.3

4 结束语

针对二次雷达传统铆接阵列天线设计中零部件数量较多、结构比较复杂、铆接点过多易出现锈蚀、脱胶、漏水等不足，提出采用铝板整体焊接的改进方案，并进行力学分析及性能指标对比，理论分析表明改进方案结构简单，零部件数量少，整体密封性好且

适合批量生产、防雨性良好、外形美观等优点。在实际工程的验证，改进方案确实存在较大优势。这为阵列天线的设计提供了新的改进思路，并为实际的工程应用提供了新的解决方案。