大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)精度分析及控制

蘇力爭(zhēng) 李 智 劉繼鵬 白云飛 徐向陽(yáng)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

天饋線伺服系統(tǒng)

大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)精度分析及控制

蘇力爭(zhēng) 李 智 劉繼鵬 白云飛 徐向陽(yáng)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

天線陣面結(jié)構(gòu)精度是雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一。文中首先分析了結(jié)構(gòu)精度對(duì)陣列天線極化特性的影響，通過(guò)理論公式可以推導(dǎo)出合理的精度指標(biāo)要求，隨后以某大型天線陣面為研究對(duì)象，分析了影響陣面結(jié)構(gòu)精度的各個(gè)因素，并對(duì)各因素進(jìn)行了誤差分配以及控制方案制定。在天線裝配中將攝影測(cè)量法應(yīng)用于天線平面度的檢測(cè)，基于測(cè)量結(jié)果的調(diào)整后平面度可控制在0.4mm內(nèi)，其安裝精度滿足平面度指標(biāo)要求。該方法為同類天線陣面平面度分析及控制提供了有益的參考和借鑒。

天線陣面；平面度；平面度測(cè)量

Abstract: Structure precision of antenna array is one of key indexes needed to be controlled in radar structure design．Firstly, effect of structure precision on polarization characteristics of array antenna is analyzed; a rational precision index requirement is deduced by theoretical formula. Then, taking a large antenna array face as a research object, factors affecting array structure precision are analyzed. The error distribution and control scheme are established for each factor. In antenna assembly, a photogrammetric method is applied to antenna flatness measurement. The adjusted flatness can be controlled within 0.4mm based on the measurement result. The installation precision meets the flatness index requirement. This method provides useful reference for analysis and control of similar antenna array flatness.

Keywords：antenna array; flatness; flatness measurement

0 引言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展，尤其對(duì)于大口徑、高頻段的有源相控陣?yán)走_(dá)天線，陣面結(jié)構(gòu)安裝精度要求越來(lái)越高，往往為亞毫米級(jí)[1～2]。影響天線陣面結(jié)構(gòu)精度的因素分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差包括陣面的加工制造誤差、單元的安裝誤差；系統(tǒng)誤差包括天線自重、風(fēng)載荷作用下所引起的陣面變形等，上述誤差都會(huì)使得陣面平面度和極化方向改變，造成增益下降、副瓣升高以及指向精度變差等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)影響天線的波瓣指向[3～4]，因此，如何正確分析與控制天線平面度的誤差已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)低副瓣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

某大型展開(kāi)天線陣面口徑較大，要保證天線陣面的整體安裝精度成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。文中首先分析了平面度精度對(duì)陣列天線極化特性的影響，并對(duì)天線陣面平面度指標(biāo)進(jìn)行了合理分配，隨后確定了合理的天線陣面平面度精度控制方案，通過(guò)對(duì)風(fēng)載作用下天線陣面形變進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化，以及在裝配中利用攝影測(cè)量法進(jìn)行平面度檢測(cè)與精度調(diào)整，確保了天線陣面裝配后的平面度結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1 平面度對(duì)陣列天線極化特性的影響分析

相控陣天線單元通道的幅、相誤差影響天線的主要性能，特別是天線副瓣電平、天線增益與波束指向。假設(shè)天線陣面無(wú)結(jié)構(gòu)誤差，則天線陣面方向圖為理論設(shè)計(jì)值，由于結(jié)構(gòu)誤差的存在，造成天線幅度、相位的變化，天線方向圖增加了一個(gè)誤差分量，從而改變了原來(lái)方向圖形狀，在某些波束方向上天線副瓣電平將會(huì)提高，即天線的一部分輻射能量將會(huì)因幅相誤差的存在而轉(zhuǎn)移至幅瓣區(qū)域內(nèi)，從而不會(huì)造成天線增益的下降。在波束指向(θ0，φ0)方向上，存在單元隨機(jī)幅相誤差時(shí)的天線方向性系數(shù)U(θ0，φ0)與沒(méi)有單元隨機(jī)幅相誤差時(shí)的方向性系數(shù)U0(θ0，φ0)之比為

(1)

由式表面，方向性系數(shù)的比值，也就是天線增益的比值取決于幅、相誤差和有效陣列單元數(shù)目。例如：允許大型相控陣天線單元損壞率為5%，即P=0.95，幅度誤差為2dB，相位誤差(均方根值)為14°，即σA=0.25，σΔφ=0.244，代入公式(1)中可得天線增益損失為-0.7dB。

而在天線陣面中位移誤差與天線單元相位角誤差之間的關(guān)系可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：Δφ為相位角誤差；ΔZ為天線陣面法線方向的位移誤差。

天線變形反射面的(軸向)結(jié)構(gòu)精度誤差均方根的計(jì)算公式為

(3)

圖1 形面天線的法向誤差

1.1 隨機(jī)誤差

在相控陣天線設(shè)計(jì)中可以用概率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算幅度、相位隨機(jī)誤差對(duì)天線方向圖的影響，合理確定天線單元通道中信號(hào)幅度、相位誤差的允許值。文獻(xiàn)[6]中給出了這一系列的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。假設(shè)當(dāng)δi2(幅度方差) =δφ2(相位方差)，隨機(jī)誤差具有χ2分布函數(shù)，最大副瓣抬高小于允許的副瓣抬高數(shù)的概率為

(4)

式中，M為陣元個(gè)數(shù)，K為口徑效率，S0為設(shè)計(jì)副瓣分貝值；ΔSLLmax=10·lg(1+x0)，ΔSLLmax為最大允許副瓣抬高值。

根據(jù)上述分析公式可知，對(duì)于某大型展開(kāi)天線陣面，按單元的幅度隨機(jī)誤差在±0.9dB之內(nèi)、隨機(jī)相位誤差在±2.5o之內(nèi)，統(tǒng)計(jì)分析這樣的幅、相隨機(jī)誤差對(duì)波束指向精度、波束寬度、增益波束、副瓣電平等的影響，算得的方向圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差包括天線自重、風(fēng)載荷作用下所引起的陣面變形等，屬于有規(guī)律的、周期性誤差，可通過(guò)調(diào)整相位幅度消除誤差帶來(lái)的影響。

系統(tǒng)誤差下天線單元的幅度分布可寫為

f′(x)=f(x)ejβ′cos(2πmx/L)

(5)

式中，β′表示相位誤差的最大值，m表示天線單元(長(zhǎng)為L(zhǎng))上周期次數(shù)?？梢詫?dǎo)出在f′(x)條件下方向圖由下式表示：

F′(θ)=F(θ)+j2[F′(sinθ1)+F(sinθ2)]

(6)

式中，F(xiàn)(θ)為無(wú)誤差時(shí)的方向圖，sinθ1=sinθ+mλ/L，sinθ2=sinθ-mλ/L。從式(5)可以看出，副瓣沿天線主瓣對(duì)稱分布，其副瓣幅度為β′/2。

若設(shè)定天線陣面最大位置誤差為Δmax，則其相應(yīng)的相位誤差為

β′=Δmaxπ/λ

(7)

根據(jù)上述分析，可以詳細(xì)地確定整個(gè)天線陣的尺寸公差。

2 天線陣面平面度影響因素誤差分配

某大型高架車載雷達(dá)分為左、右兩個(gè)陣面，通過(guò)鉸鏈與天線座相連，雷達(dá)工作時(shí)通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)左、右天線陣旋轉(zhuǎn)90°展開(kāi)成“一”字型，運(yùn)輸時(shí)使2個(gè)陣面背向折疊成“Π”字型垂直立于底盤車上，從而滿足整車運(yùn)輸?shù)囊螅摾走_(dá)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了天線工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，具有較高的機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力。由于單邊天線陣面口徑為6m×1m，只有一端固定，為典型的長(zhǎng)懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力狀況復(fù)雜，天線陣面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3所示。為滿足天線電訊指標(biāo)要求，根據(jù)前面的理論分析，在天線陣面平面度影響因素誤差分配中，對(duì)陣面由加工制造精度、安裝精度引起的隨即誤差設(shè)置平面度均方根指標(biāo)，即平面度要求≤0.5mm(均方根誤差)，對(duì)由陣面載荷(重力、風(fēng)、冰雪、溫度)引起的變形，即系統(tǒng)誤差設(shè)置單線陣最大變形量指標(biāo)，即平面度要求≤7mm(單點(diǎn)誤差最大值)。

為降低加工成本和設(shè)計(jì)難度，本雷達(dá)主天線為相控陣體制垂直正交極化微帶平面陣，由128根線陣組成，通過(guò)調(diào)整螺柱固定在天線框架上，天線框架采用高頻箱與天線承載骨架一體化設(shè)計(jì)，由Q345鋼材焊接而成，天線框架的加工精度直接影響螺柱調(diào)整量以及天線線陣的安裝精度，綜合考慮各因素對(duì)天線指標(biāo)的影響及要求，對(duì)天線陣面結(jié)構(gòu)誤差分配如表1所示，要實(shí)現(xiàn)天線陣面平面度要求，就必須對(duì)表中的陣面誤差采取控制及調(diào)整措施，從而實(shí)現(xiàn)分配的指標(biāo)要求。

3 天線陣面載荷變形控制

為了保證天線的方向圖精度，要求天線陣面結(jié)構(gòu)需具有足夠的剛強(qiáng)度。天線陣面上承受的載荷較大，除了風(fēng)、雪等載荷外，天線框架還要支撐整個(gè)天線陣面設(shè)備(包括T/R組件、頻綜、發(fā)射電源、饋線系統(tǒng)等)、背架折疊機(jī)構(gòu)以及鎖緊機(jī)構(gòu)等，共計(jì)1300kg的重量，為此對(duì)天線陣面進(jìn)行了有限元仿真與優(yōu)化。

天線陣面采用桁架結(jié)構(gòu)形式，整個(gè)骨架采用Q345鋼材焊接而成，每邊天線陣面圍成16個(gè)高頻箱，內(nèi)部安裝電子設(shè)備約650kg，陣面通過(guò)2個(gè)鉸鏈點(diǎn)與天線座連接。根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)性大綱要求，在自重、風(fēng)載、溫度載荷作用下對(duì)天線陣面的變形進(jìn)行仿真分析，下面選取兩種典型工況進(jìn)行說(shuō)明，具體如下：

工況1：自重、正面25 m/s風(fēng)載荷、+50℃溫度載荷作用下，天線保精度工作；

工況2：自重、正面32.6m/s風(fēng)載荷、+50℃溫度載荷作用下，停機(jī)，倒天線并固定，設(shè)備不破壞。

對(duì)天線骨架建立有限元分析模型，其中桁架結(jié)構(gòu)均使用梁?jiǎn)卧?，天線背架與天線座之間的連接副為等效剛度的梁?jiǎn)卧?，天線背架與液壓桿相連，它們之間為耦合。高頻箱內(nèi)部設(shè)備載荷作為集中載荷施加到骨架節(jié)點(diǎn)上，施加風(fēng)載荷，約束點(diǎn)在天線陣面與天線座相連的鉸鏈上，仿真結(jié)果云圖如圖4所示。各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)分析計(jì)算可知，天線陣面的最大風(fēng)載荷變形為6.5mm，天線結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 工況一條件下陣面變形云圖

計(jì)算工況最大變形量/mm變形(均方根)/mm鋼骨架最大應(yīng)力/MPa工況一6.50.3480工況二110.57145

4 天線陣面安裝精度測(cè)量與控制

4.1 平面度測(cè)量原理

對(duì)于大型天線陣面精度測(cè)量，相比于傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、全站儀測(cè)量方法，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有快速、高效、高精度的特點(diǎn)，適合大平面非接觸測(cè)量 [7]。原理是基于數(shù)碼相機(jī)圖像的三維重構(gòu)，數(shù)學(xué)上是求解物體三維空間到數(shù)碼相機(jī)二維CCD平面的映射關(guān)系。主體包括高分辨率數(shù)碼相機(jī)、定向反光標(biāo)志(靶標(biāo))和數(shù)據(jù)處理軟件3部分，見(jiàn)圖5所示。根據(jù)本天線陣面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求的測(cè)量精度，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)天線陣面安裝過(guò)程中進(jìn)行精度測(cè)量。

圖5 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量設(shè)備組成及測(cè)量原理

4.2 測(cè)量過(guò)程

陣面平面度的測(cè)量過(guò)程可以概括如下：

a)首先在天線陣面上線陣安裝點(diǎn)附件粘貼反光

標(biāo)志(靶標(biāo))和編碼標(biāo)志；

b)對(duì)天線陣面上粘貼的所有靶標(biāo)進(jìn)行拍照；

c)對(duì)采集到的圖像分析計(jì)算，并根據(jù)得到的靶標(biāo)三維坐標(biāo)擬合目標(biāo)平面，確定天線線陣安裝點(diǎn)螺柱的調(diào)整量；

d)根據(jù)第(3)步中得到的調(diào)整尺寸對(duì)天線進(jìn)行調(diào)整并重復(fù)測(cè)量，直到滿足天線安裝面的平面度小于0.5mm。

4.3 測(cè)量坐標(biāo)結(jié)果及面形誤差計(jì)算

本次測(cè)量在每根線陣面的上、中和下面板上共粘貼8個(gè)標(biāo)志，整個(gè)陣面由128根線陣組成，共粘貼有1024個(gè)靶標(biāo)。另外，在天線陣面長(zhǎng)度方向均勻擺放4個(gè)編碼點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)各攝站的自動(dòng)定向和測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)匹配。圖6為螺柱調(diào)整前其面形誤差示意圖，從圖中可以確定每根線陣安裝螺柱需要的調(diào)整量。

圖6 面形誤差示意圖

表3 天線裝配過(guò)程中零件調(diào)整數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

天線陣面結(jié)構(gòu)精度對(duì)天線副瓣電平、天線增益與波束指向有至關(guān)重要的影響。文中通過(guò)從隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差兩方面分析了結(jié)構(gòu)精度對(duì)天線極化特性的影響，并針對(duì)某大型高架車載雷達(dá)天線陣面的結(jié)構(gòu)精度指標(biāo)要求，采用仿真分析、數(shù)字近景攝影測(cè)量等手段，在天線陣面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)量與調(diào)整的過(guò)程中全程控制，保證天線陣面最終平面度控制在0.4mm內(nèi)，滿足安裝精度的指標(biāo)要求。本文研究?jī)?nèi)容可為更大型天線陣面保精度設(shè)計(jì)提供有益的可借鑒性經(jīng)驗(yàn)。

[1] 邵春生．相控陣?yán)走_(dá)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2016，38(6)：1-12．

[2] 趙希芳，沈文軍，馬利華．大型天線陣面平面度分析與控制[J]．電子機(jī)械工程，2014，30(2)：37-39．

[3] 宋敏，胡勁松，吳文志，張榮明．機(jī)載高精度相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．電子機(jī)械工程，2016，32(3)：26-30．

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AnalysisandControlofLargePhased-arrayRadarAntennaArrayStructurePrecision

Su Lizheng， Li Zhi， Liu Jipeng， Bai Yunfei， Xu Xiangyang

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN957

A

1008-8652(2017)02-075-05

2017-04-28

蘇力爭(zhēng)(1980-)，男，高級(jí)工程師.主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體結(jié)構(gòu)。