中国指挥与控制学会会刊 
超视距雷达具有探测距离远,覆盖范围大,单位面积所需成本低,抗隐身能力强等特点,在国内外得到广泛关注与应用[1]。超视距雷达探测是依靠电离层对短波信号的反射来实现的[1⇓-3],因此,作为超视距雷达物理架构组成部分的天线反射体显得尤为重要。
天线反射体具有单个天线增益高,频带宽的特点,广泛应用于移动通信基站、卫星通信、车载站、岸基、微波通信中继等场合[4⇓-6]。作为超视距雷达工作的关键部分,天线反射体主要作用是接收和发射电磁波信号,其口径规格取决于电性能设计指标[7⇓⇓-10]。当反射体口径非常大,无法满足公路运输要求时,则需要将反射体分块处理,以满足公路运输要求[9]。反射体分块方式与天线刚强度性能息息相关,也影响着雷达系统电性能指标[11-12]。目前研究主要集中在正馈反射体的折叠展收方面,而针对偏馈反射体分块还未见相关资料。本文针对某超视距雷达天线反射体原理样机的设计要求,提出了一种反射体分块方案,并进行反射体结构设计,最后利用有限元软件MSC.Nastran对其进行刚强度校核。
1 天线反射体总体要求
反射体型面为实体偏置切割抛物面,焦距为1 730 mm,偏置高度为250 mm,口径为3 000 mm(宽)×2 000 mm(高)。反射体型面如图1 所示,其中坐标系原点为反射体抛物线的顶点。根据总体设计要求,天线反射体重量不超过330 kg。
反射体型面投影形状中间为矩形,上下均为半个椭圆。上下椭圆短轴均为700 mm。椭圆曲线投影方程为:
在图1 建立的坐标系下:反射体整体成型后型面精度σ≤0.5 mm(法向均方根);误差值σ的绝对值分布应满足(采点数应不小于1 500):0~0.5 mm的点不少于60%;0~0.8 mm的点不少于85%;≥1.2 mm的点不超过3%。
2 设计方案
2.1 总体布局设计及组成
2.2 3米天线反射体设计
3米天线属于中小口径天线,反射体型面设计方案采用切割抛物面,为了保证每个分块曲面拼接时连续且光滑,根据设计经验,设计中块宽1 300 mm,边块宽850 mm。反射体采用铝面板、钢背架结构,面板采用2 mm厚度的5A06-O拉伸成型。面板分块示意如图3 所示,天线反射体结构示意图如图4 所示。
其中,抛物面反射体分为反射面及背架,反射面由胎膜蒙皮拉伸面板与角铝铆接而成,背架由薄钢板拼焊而成的薄壳梁拼接而成;反射面通过角件与背架铆接相连。在背架上方布置有反射体吊装点,中部位置布置有水平测试平面,下方布置有安装面和安装接口。
2.2.1 反射面设计
3米天线反射体为偏馈反射体,为了保证天线结构的运输性能,需要对反射面进行适当尺寸地分块,经过合理排布,将反射面在3米宽度方向上分为3块。其中,中块设计宽度为1 300 mm,边块设计宽度为850 mm,高度方向尺寸自然生成。
反射面的主要设计特点:胎膜蒙皮拉伸成型的面板成型后均经过了退火处理,去除内部残余应力,反射体装配后无变形回弹。
1)布置了间距合适的角铝作为型面成型筋条,以保证最终获得的反射面型面精度达到较高要求;
2)较密的成型筋条有利于布置更多的连接支板以实现背架对反射面更好的支撑,从而保证反射面在强风的作用下具备更好的型面精度。
单块反射面由胎膜蒙皮拉伸成型面板与等边铝型材铆接而成,其中蒙皮拉伸成型面板厚2.5 mm,成型后经过退火处理去除了内部残余应力;在单块反射面的边缘选用∠40×40×3的等边角铝以提升其整体轮廓刚性,在反射面内部统一选用∠30×30×3的等边角铝作为支撑筋条,这样在满足反射面内部刚性及型面精度的前提下,尽可能节省了空间,使背架能拥有更大的空间用于提升整个反射体的刚性。反射体左、右边块各约12 kg,中块约26 kg,3块反射面总重约50 kg。
2.2.2 背架设计
根据总体结构方案,3米天线反射体在长宽高方向上都有严格的尺寸限制,因此背架的设计只能在有限的空间内进行,而薄壳梁结构是在这样的设计条件下的首选结构形式。因为薄壳梁结构能够在空间尺寸极为有限的情况下达到尽可能高的结构刚强度,同时重量控制也较为合理。
背架的主要设计特点如下:
1)充分利用了空间尺寸,并且通过合理地选择薄板壁厚及局部采取厚板加强的措施,在实现较好的结构刚强度的同时,重量控制得较为合理;
2)结构简单紧凑,背架全部由薄钢板拼焊而成,重要接口尺寸通过机加工保证,易于加工制造。
经过反复论证,并经过有限元仿真分析优化后,天线背架结构如图5 所示。
背架主梁采用3.5 mm厚的Q345A钢板槽型件组焊成形,副梁采用3.5 mm厚的钢板槽型件组焊成形,背架总重约250 kg。该背架结构在满足所有功能性要求及保证足够刚强度的前提下,实现了较好的重量控制。
3 分析计算
3.1 重量估算
天线反射体重量估算为312 kg,满足总体设计要求,重量估算表如表1 所示。
表1 天线重量估算 |
| 序号 | 名称 | 数量 | 重量/(kg) |
|---|---|---|---|
| 1 | 反射面 | 1 | 50 |
| 2 | 背架 | 1 | 250 |
| 3 | 连接角件 | 1 | 5 |
| 4 | 油漆 | 1 | 7 |
| 5 | 合计 | 312 |
3.2 理论计算
根据反射体指标要求,需要计算以下工况的天线反射体的应力应变:1)反射体的自重变形;2)重力及20 m/s风速下变形及应力;3)重力及35 m/s风速下变形及应力。根据风载荷计算式:
式中,F为天线所受总风力大小, 为阻力系数,ρ为空气密度,V为风速,A为发射面特征面积,即投影面积。
3.3 天线反射体结构系统仿真计算
3.3.1 建立有限元模型
为系统地研究天线结构的静态性能,用MSC.Nastran软件对天线反射体系统进行仿真计算。天线反射体结构主要由反射面板、钢板折弯件等部分组成。根据天线工作状态各工况均约束转台6个自由度,风载荷均匀加在天线反射体上。根据以上分析,在对三维模型进行适当的简化和处理后,建立了天线结构的有限元模型,进行了网格划分,如图6 所示。
3.3.2 天线反射体结构有限元分析结果
根据模型赋予单元相应属性,并根据工况对天线反射体结构施加相应的边界条件(包括位移约束、风载、重力载荷等),然后进行计算,得到其在不同工况下的计算结果。
a) 自重载荷下,天线反射体最大应变如图7 、图8 所示。
从图7 和图8 可以看到,天线反射体在自重作用下的最大应变发生在天线反射体顶部区域,其值为0.55 mm,计算反射面型面RMS值,结果为0.34 mm。
b) 重力及20 m/s风作用下,天线反射体的最大应变(正面迎风)如图9 、图10 所示。
从图9 和图10 中可以看到,天线反射体在自重及20 m/s风载荷作用下的最大应变发生在天线反射体顶部区域,其值为0.41 mm,计算反射面型面RMS值为0.23 mm。
c) 重力及20 m/s风作用下,天线反射体最大应变(背面迎风)如图11 、图12 所示。
从图11 和图12 中可以看到,天线反射体在自重及20 m/s风载荷作用下的最大应变发生在天线顶部区域,其值为1.46 mm,计算反射面型面RMS值为0.48 mm。
d) 重力及35 m/s风作用下,天线反射体最大应力(正面迎风)如图13 所示。
从图13 中可以看到,天线反射体在自重及35 m/s风载荷作用下的最大范式应力为32.18 Mpa,最大值发生在天线底部支撑位置。
e) 重力及35 m/s风作用下,天线反射体最大应力(背面迎风)如图14 所示。
从图14 中可以看到,天线反射体在自重及35 m/s风载荷作用下的最大范式应力为98.75 MPa,最大值发生在天线背部支撑位置。
3.3.3 仿真结论
根据仿真结果可知,该反射面的最大形变和最大应力均发生在35 m/s风载荷工况下,最大应力为98.75 MPa,小于其材料许用应力;最大变形仅为1.46 mm,可认为该天线反射体结构设计合理可行,反射体结构刚强度可满足使用要求。
4 结束语
本文对某超视距雷达天线反射体原理样机提出了一种分块方案,进行了反射体结构设计,利用有限元分析软件对其结构进行了刚强度校核。仿真分析表明,该反射体设计合理,能够满足总体各项指标要求。本文研究工作为后续天线反射体刚强度影响因素耦合分析奠定基础。