一種VHF/L雙波段共口徑天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

嚴(yán) 諾，王 虎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

一種VHF/L雙波段共口徑天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

嚴(yán) 諾，王 虎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

為滿足某雷達(dá)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了一種VHF/L雙波段天線，使兩個(gè)波段天線共口徑安裝，從而達(dá)到減少雷達(dá)設(shè)備量、降低天線體積和重量的目的。文中針對(duì)雙波段天線的總體要求，對(duì)天線骨架、折疊機(jī)構(gòu)、輻射單元及其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等天線結(jié)構(gòu)組成的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。對(duì)天線骨架的抗風(fēng)能力進(jìn)行了有限元仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)要求。該VHF/L雙波段共口徑天線結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，對(duì)類似的雙波段天線結(jié)構(gòu)研制具有一定的借鑒作用。

雙波段；共口徑；天線結(jié)構(gòu)；折疊機(jī)構(gòu)

引 言

隨著各種不同用途雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的功能要求越來(lái)越多，往往同一個(gè)天線陣面上需要布局多個(gè)頻段的天線[1]。在雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)的運(yùn)輸性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的重要問(wèn)題之一[2]。

某雷達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)必須滿足公路運(yùn)輸條件，在工作狀態(tài)時(shí)要求天線能夠可靠展開(kāi)。同時(shí)，雷達(dá)天線展開(kāi)架設(shè)要求方便、快捷，撤收、運(yùn)輸要求安全可靠。為滿足雷達(dá)工作的各項(xiàng)指標(biāo)，文中研制了一種新的天線結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、邊塊折疊方法與原理、輻射單元的翻轉(zhuǎn)與倒伏、天線骨架力學(xué)仿真等幾個(gè)方面考慮，以提高雷達(dá)天線系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體要求

如圖1所示，該天線安裝在X-Y型天線座上，工作狀態(tài)時(shí)，天線展開(kāi)后陣面法向垂直向上為0°，抗風(fēng)要求在風(fēng)速≤17 m/s時(shí)正常工作，風(fēng)速≤35 m/s時(shí)結(jié)構(gòu)不破壞。如圖2所示，運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，天線撤收后要求寬度尺寸小于2.5 m，高度尺寸小于2.9 m。

1.2 天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，主要由中心骨架、邊骨架(左右各一片)、輻射單元翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、天線折疊機(jī)構(gòu)、L波段天線反射板、下安裝板、L波段功分網(wǎng)絡(luò)、VHF波段功分網(wǎng)絡(luò)、L波段輻射單元、VHF波段輻射單元等組成。VHF輻射單元安裝在骨架的頂部，L波段輻射單元安裝在L波段天線反射板上，折疊機(jī)構(gòu)安裝在中心骨架內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)安裝在底部的下安裝板上，以方便元器件維修。

圖1 天線工作狀態(tài)示意圖

圖2 天線運(yùn)輸狀態(tài)示意圖

圖3 天線結(jié)構(gòu)組成

1.3 天線骨架

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，天線骨架主體是采用6063鋁管拼焊而成的桁架式結(jié)構(gòu)。在主要的受力部位，如邊塊翻轉(zhuǎn)鉸接處，焊有鋁管斜撐桿增加局部強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)在減輕天線重量的同時(shí)可確保天線骨架整體具有足夠的剛性。該天線陣面尺寸為5.5 m × 5 m，為滿足雷達(dá)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的公路運(yùn)輸和天線自動(dòng)架設(shè)的要求，將天線骨架分成3部分，分別是左、右邊骨架與中心骨架。骨架整體結(jié)構(gòu)為經(jīng)典的魚(yú)骨形結(jié)構(gòu)[3]，中心骨架上下兩層共8根主梁采用外徑50 mm、壁厚3 mm的鋁管作為主承力支撐，在主梁之間采用外徑40 mm、壁厚3 mm的鋁管搭建成一個(gè)空間桁架結(jié)構(gòu)。在中心骨架中央上層安裝L波段天線，下層為下安裝板，用于天線與天線座連接的安裝接口。在骨架中部桁架上布置了一組用于左、右邊骨架的運(yùn)輸折疊機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)的維修可達(dá)性，上、下安裝板均采用螺接與骨架相連。左、右邊骨架結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，主、次梁鋁管截面與中心骨架相同，天線骨架如圖4所示。

圖4 天線骨架組成示意圖

1.4 天線折疊機(jī)構(gòu)

為滿足雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)輸兼容性，運(yùn)輸時(shí)天線左、右邊塊需折疊，文中采用一組基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原理的組合式折疊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。具體由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，然后通過(guò)T形換向器驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副，絲杠螺母副左、右兩段螺紋旋轉(zhuǎn)方向相反，從而實(shí)現(xiàn)左、右邊塊同步展收。機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞路線為：伺服電機(jī)→減速機(jī)→T形換向器→絲杠螺母副→左、右邊骨架。折疊機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 折疊機(jī)構(gòu)示意圖

選用伺服電機(jī)+減速機(jī)的組合方式，一方面可以實(shí)現(xiàn)較大的減速比，另一方面重量輕、結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，適合中心骨架內(nèi)部安裝。傳動(dòng)絲杠選用普通T型絲杠，可以保證天線在工作狀態(tài)和撤收狀態(tài)之間任意位置自鎖。絲杠通過(guò)兩端的支座安裝在下安裝板上，滑動(dòng)軸承選用自潤(rùn)滑、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的工程塑料軸承，能夠滿足長(zhǎng)期戶外工作需求。天線折疊和展開(kāi)都繞著聯(lián)結(jié)銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，保證天線多次折疊展開(kāi)后的陣面重復(fù)精度[4]。

每個(gè)邊塊重量約150 kg，計(jì)算得到絲杠驅(qū)動(dòng)力矩ΣTq≥75 N·m。天線翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，螺母所需總行程為260 mm，邊塊展收時(shí)間不大于2 min，絲杠螺紋規(guī)格選用梯形螺紋(外徑40 mm，導(dǎo)程 7 mm)，則絲杠的轉(zhuǎn)速n≥ 260/(2 × 7) = 18.6 r/min。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及安全余量，伺服電機(jī)初選0.45 kW交流伺服電機(jī)，其額定力矩為2.86 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。減速機(jī)速比為67，則折疊機(jī)構(gòu)的末端輸出力矩T= 2.86×67×0.9 = 172 N·m，滿足ΣTq≥75 N·m的要求。折疊機(jī)構(gòu)末端輸出轉(zhuǎn)速nm= 1 500/67 = 22.4 r/min，滿足最小轉(zhuǎn)速n= 18.6 r/min的要求。

天線展開(kāi)到位后，為確保天線陣面的面精度滿足電訊指標(biāo)要求，工作時(shí)天線結(jié)構(gòu)應(yīng)可靠穩(wěn)定。在天線骨架上設(shè)置4組共8處手動(dòng)的快鎖機(jī)構(gòu)，將兩個(gè)邊塊與中塊穩(wěn)定可靠地鎖緊，同時(shí)兼作拼接定位的功能，以保證陣面精度?？戽i機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 快鎖機(jī)構(gòu)示意圖

1.5 輻射單元及其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

(1)輻射單元

L波段輻射單元與VHF波段輻射單元均由天線罩、振子、內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體和連接器組成，僅在結(jié)構(gòu)尺寸上有所差異，各零件間均采用螺釘帶膠密封連接，確保良好的室外環(huán)境適應(yīng)性。輻射單元結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 VHF/L波段輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)天線陣面由8×8共64個(gè)L波段輻射單元與6×6共36個(gè)VHF波段輻射單元內(nèi)外交叉平行排列組成，兩個(gè)陣面物理中心重合。64個(gè)L波段輻射單元安裝在L波段天線反射板上，反射板有足夠的剛度可以確保在外載荷作用下陣面精度小于0.5 mm。36個(gè)VHF波段輻射單元分布安裝在天線骨架頂部各翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)桿安裝塊上，所有安裝塊上表面采用一次加工成型，3塊骨架拼接后通過(guò)快鎖機(jī)構(gòu)完成定位并鎖緊，通過(guò)計(jì)算分析，架設(shè)后陣面精度小于4 mm。

(2)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

根據(jù)整個(gè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)布局要求，運(yùn)輸狀態(tài)天線邊塊撤收后，因VHF波段輻射單元尺寸較高，需翻轉(zhuǎn)90°倒伏，在降低運(yùn)輸尺寸的同時(shí)也起到保護(hù)輻射單元的作用。文中通過(guò)6個(gè)手動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使6列VHF波段輻射單元分別聯(lián)動(dòng)倒伏。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由支座、擺動(dòng)桿、滑動(dòng)軸承、手柄、固定板、導(dǎo)向柱及固定螺釘?shù)冉M成。輻射單元工作狀態(tài)和倒伏狀態(tài)均通過(guò)固定螺釘和固定板上2個(gè)螺紋孔完成鎖定。在固定板上設(shè)置導(dǎo)向槽，手柄上的導(dǎo)向柱可完成輻射單元的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)向和定位作用，以保證輻射單元與天線骨架的位置精度。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1.6 功分網(wǎng)絡(luò)組件

天線系統(tǒng)內(nèi)有3種共6個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)組件，分別安裝在左、中、右骨架上。各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上按室外密封要求設(shè)計(jì)，盒體蓋板上設(shè)置密封圈，連接器選用密封防水型，各電纜插座尾部灌封聚氨脂密封膠防護(hù)，提高環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

2 骨架力學(xué)仿真分析

天線系統(tǒng)在工作狀態(tài)下應(yīng)考慮自重和風(fēng)載荷對(duì)系統(tǒng)的影響，應(yīng)確保在自重和17 m/s風(fēng)速作用下保證精度工作，在自重和35 m/s風(fēng)速作用下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全、不破壞。文中通過(guò)ANSYS有限元分析對(duì)天線骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛強(qiáng)度、安全性校核，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 天線骨架應(yīng)變?cè)茍D

如圖9所示，天線的最大彈性變形發(fā)生在天線骨架兩個(gè)邊塊的最外側(cè)。最大彈性變形量為10 mm，由于此處并沒(méi)有安裝輻射單元，因此對(duì)電訊性能影響很小，安裝輻射單元處變形量最大為3 mm，優(yōu)于總體指標(biāo)最大動(dòng)態(tài)變形量8 mm的要求。實(shí)際安裝運(yùn)行后，電訊指標(biāo)滿足總體要求，效果良好。

圖10 天線骨架應(yīng)力云圖

如圖10所示，最大應(yīng)力σmax= 101.67 MPa，出現(xiàn)在與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的天線的安裝孔處。由于天線安裝板的材料選用鋁板5A06，屈服應(yīng)力σs= 135 MPa，安全系數(shù)取1.8，則許用屈服應(yīng)力[σ] = 135/1.8 = 75 MPa <101.67 MPa，不能滿足強(qiáng)度要求[5]。因此必須進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，將安裝板的通孔改為螺紋孔，每個(gè)螺紋孔安裝帶外螺紋的鋼制軸套，材料選用45號(hào)鋼，σs=345 MPa，再通過(guò)螺栓與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，則[σ] = 345/1.8 =191.7 MPa > 101.67 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一種VHF/L雙波段共口徑陣列天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的公路運(yùn)輸和天線自動(dòng)架設(shè)的要求。相比其他類似天線結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，重量輕，展收操作方便等特點(diǎn)。雷達(dá)系統(tǒng)總成后，經(jīng)電訊調(diào)試、測(cè)試后，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足總體要求。

[1] 葉尚輝, 李尚貴. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1986.

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嚴(yán) 諾(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體及天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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