一種車載三折雷達天線的結構設計

陜西黃河集團有限公司 趙冬竹 劉衛剛 王 猛 王曉歡

一種車載三折雷達天線的結構設計

陜西黃河集團有限公司 趙冬竹 劉衛剛 王 猛 王曉歡

本文針對車載雷達天線的技術特點，利用三維建模軟件設計了三折模型，并運用結構仿真軟件對模型進行了結構強度分析。分析結果表明天線既滿足運輸要求，又保證天線展開狀態下得強度要求，符合天線設計要求。

車載；折疊天線；有限元分析

1 引言

自雷達問世以來,其技術發展迅速。一方面,雷達的威力大幅提高,使得體積不斷變大，另一方面,為了將雷達布置在多樣化的不同的場所，就對雷達機動性提出了新的要求。綜合兩者需求，車載高機動折疊雷達是雷達發展的一個重要方向。

車載雷達是以載車平臺為安裝基礎的移動雷達系統，與固定雷達相比具有機動高，可迅速靈活轉移等特點。但隨著技術的發展，雷達中天線口徑越做越大，天線本體拆裝運輸不方便，嚴重制約著其在移動載體上的運用。故大中型雷達只有具備自動折疊功能,能夠快速自動展開才能真正的投入使用。

空間可展開桁架機構應用已有 30 多年的歷史。其中有很多單元式桁架可展機構的經典應用如國際空間站太陽電池陣支撐機構的鉸接桁架一維伸展臂[1]等。我國從上世紀90年代初起對雷達自動架設技術進行研究，取得了不少理論和實踐成果，南京十四所的胡長明[2]、38所的張增太[3]、電子工業部10所的梁斌[4]對機動雷達的總體設計思想進行了闡述；東南大學的倪江生[5]等對雷達天線車的自動調平方案進行了論證；南京十四所的潘忠堂[6]對雷達方艙升降機構的設計進行了介紹；38所的程明輝[7]、戚仁欣[8]等人對地面雷達的裝載設計技術進行了研究；38所的張增太[9]給出了某機動雷達的總體設計方案和介紹。

2 本文的研究內容

本文是根據用戶實際需求開發的適用于車載雷達系統。文中主要介紹車載7m×8m自動折疊雷達設計。天線反射體自動折疊技術的硏究、利用仿真軟件對天線進行三維建模和力學仿真。通過細致的指標核算和仿真尺寸確保天線符合運輸要求和展開使用要求。

本文三維建模使用Pro/E軟件，作為一款成功的CAD軟件,其在三維造型軟件領域中一直占有著重要地位,得到了業界普遍的認可和推廣。本文力學仿真選用Pro/E軟件自帶的Simulate模塊，作為Pro/E自帶的模塊，設計的模型能迅速的導入仿真模塊中快速得到模擬仿真。

3 三維建模

雷達天線系統的特點決定了其研制和生產的難點也集中在天線。天線既直接承受并傳遞環境負載并要保證天線整體的電性能指標。故天線結構設計的任務就是在滿足天線電氣性能的同時合理確定可能出現的外負載及其組合，努力避免可能造成的傷害，以最佳的結構型式、最少的材料和最低的成本達到足夠的剛強度，實現精度指標和功能要求。根據天線系統實際工作的需求，由于天線陣面的尺寸較大，為了減少天線的重量及轉動慣量，本文采用了一種近似桁架的結構形式。

并且為了滿足鐵路運輸要求，整個天線在運輸狀態必須折疊。天線陣面分為五部分，分別為中間天線、左天線Ⅰ、左天線Ⅱ、右天線Ⅰ、右天線Ⅱ。運輸時，中部天線固定不動，左天線Ⅰ、右天線Ⅰ再通過折疊機構向下旋轉120°，左天線Ⅱ、右天線Ⅱ再通過折疊機構向下旋轉90°，通過行程開關控制其折疊后的位置并用液壓銷將其鎖定；在天線展開時，左天線Ⅱ、右天線Ⅱ通過折疊機構向上旋轉90°，左天線Ⅰ、右天線Ⅰ再通過折疊機構向上旋轉120°，通過行程開關控制其折疊后的位置并用液壓銷將其鎖定。展開狀態如圖1、圖2所示，折疊狀態如圖3、圖4、圖5所示。

圖1 天線展開狀態結構圖

圖2 天線展開狀態結構圖

圖3 天線折疊一次結構圖

圖4 天線折疊狀態結構圖

圖5 天線折疊狀態結構圖

設計成以上的結構模型，既保證了天線系統展開時單元排列的要求，同時也滿足了天線在折收運輸過程中不超限，符合天線設計需求。

4 模型仿真

雖然上圖三維模型符合了運輸和展開時的結構要求，但是，還要仿真其在臨界工作環境時的結構剛度和強度，保證天線安全同時天線的剛度變形不能超過電氣要求，本文只選取天線在最惡劣狀態下的結構性能。

4.1 天線結構載荷分析

對于大型天線，自重和風力、冰雪載荷為主要載荷。因此，本次分析的主要載荷為:自重(含天線陣面框架自重及其承載器件等)、風力和冰雪載荷在不同工況下的各種組合。

4.1.1 天線自重載荷

天線框架主要由鋼型材組成，其自身質量（含電纜、陣子天線、背架等）為：

4.1.2 天線風力載荷

工作在露天的天線，風荷是必須考慮的一種主要載荷。特別是在強度計算時，風荷往往起著決定性的作用。同時，風荷引起天線陣面變形，影響陣面精度，引起波束指向誤差，因此在天線的剛度計算中，風荷的影響是重要的。因不同結構形式的物體在風阻計算公式中所取的風阻系數各不相同，所以在本雷達天線陣面的風阻計算中，考慮到天線主框架其屬于類似桁架結構，而桁架結構的風阻計算并非簡單地分別計算每個構件的風阻力然后疊加，要考慮到桁架構件對氣流的相互干擾效應。因此桁架的風阻力通常按整體考慮，其阻力可以這樣確定：

式中：CD—為單根無限長柱體的迎風阻力系數；φ—是桁架的每個構建的投影面積總和AS與桁架輪廓面積A之比；Q—桁架的動壓；

ρ—標準大氣壓下15℃時的空氣密度；v—風速；

綜上，可以計算出兩種風速和兩種工況下天線陣面的風載荷值，表1為工作姿態有冰雪情況的風載荷計算參數列表。

表1 工作姿態風載荷計算參數列表（有冰雪載荷）

4.1.3 天線冰雪載荷

潮濕的空氣，在冬天遇到氣溫急劇下降就會在結構物表面形成一種緊密的玻璃狀冰層，即“裹冰”，其密度為700～900kg/m3。對于該天線，其結構基本是由三種不同截面形狀的梁結構組成，所以，天線冰負載為：

其中，L1表示O1型材的總長度，S1為O1型材單位長度上的表面積；L2表示O2型材的總長度，S2為O2型材單位長度上的表面積；L3表示槽鋼的總長度，S3為槽鋼單位長度上的表面積；t 為裹冰平均厚度，取；rx為裹冰密度。

型材的橫截面如圖9-11所示，單位(mm)：

圖9 O1型材的截面尺寸

圖10 O1型材的截面尺寸

圖11 槽鋼的截面尺寸

4.2 天線有限元模型建立

該天線為桁架結構形式，結構較復雜。目前主要通過有限元分析法這種近似的數值方法來進行判斷。天線結構的有限元模型如圖6所示。

圖6 線陣面框架網格劃分圖

天線結構要求在風速≤30m/s (有冰)的工況下不損壞，對其施加4.1章所計算出的載荷，仿真結果如圖7：

圖7 30m/s風速作用下的天線變形圖（加冰載荷）

圖8 30m/s風速作用下的天線應力分布圖（加冰載荷）

從仿真結果，可以看到30m/s風速（加冰載荷）作用下，1.天線最大變形為9mm，結合此天線的使用頻段，符合此天線電氣性能要求的平面度；2.最大應力為203MPa，經查資料，鋼材Q460的抗拉強度為720MPa，綜合考慮支撐桿節點焊接強度按0.8倍計算，則最低允許強度為576MPa，同時其抗拉屈服極限為460MPa，可以看出該兩數值大于計算值。故從仿真結果可以得出結論：上述設計方案滿足使用要求。

5 結論

本文通過對大型折疊天線進行相關研究并利用有限元軟件分析了天線在惡劣條件下的形變和剛度。本文的主要工作和成果如下：

1)根據天線結構、尺寸及運輸要求,對天線進行合理設計,通過三折機構使天線既能滿足展收時的電氣性能要求又能滿足折收時公路、鐵路等各項運輸要求。

2)對天線在最惡劣狀態下進行了有限元軟件分析了，計算結果表明天線在此工況下的剛強度都符合要求。

[1]Shaker John F.Static stability of a three-dimensional space truss[C]//13th Space Photovoltaic Research and Technology Conference. Washington,D C:1995:299-312.

[2]胡長明,羅超人.從結構總體設計角度探討提高地面雷達機動性的方法[J].電子機械工程,1999(5):11-14.

[3]張增太.機動式3D雷達結構總體設計探討.電子機械工程[J].2004(5): 11-13.

[4]梁斌.輕型高機動戰場偵察雷達結構設計[J].電訊技術.1994(l):27-29.

[5]倪江生.雷達天線座車調平問題的研究[J].測控技術.1994(4):36-39.

[6]潘忠堂.ZWZ-2型雷達方艙升降機構設計[J].現代雷達.1999(6)96-100.

[7]程輝明.軍用地面雷達裝載設計技術探討[J].電子機械工程.2002(3): 1-5.

[8]戚仁欣.現代軍用地面雷達裝載設計的若干問題[J].專業汽車.2002(l):12-16.

[9]張增太.機動式雷達自動架撤系統的結構設計[J].雷達科學與技術.2004(6): 345-348.

A Structural Design of Vehicular Three folding antenna

Zhao Dongzhu,Liu Weigang, Wang Meng,Wang Xiaohuan
(Shaanxi Huanghe River Ltd.of Corp.XI’AN 710043,China)

Aimed at the technical features of the vehicular antenna,CAD software is adopted to design a three folding model,FEA software is used to analysis the structural strength of the model.The analysis result shows that antenna not only satisfy the shipping requirements,but also ensure structure stiffness of unfolded states.Function is compliance with design.

Vehicular;Folding antenna;FEA