SKA低頻天線結構優化設計

江 濤，陳元元，胡 峰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

平方公里陣列(SKA)是正在建設的下一代最大的射電望遠鏡，擬由約3 300面15 m口徑拋物面天線、250個直徑約56 m的中頻致密孔徑陣列，以及1 024個直徑為35 m的低頻稀疏孔徑陣列組成，分布在3 000 km范圍[1-2]。其中低頻稀疏孔徑陣列工作在50～675 MHz之間，采用對數周期天線形式，天線結構尺寸大，且系統天線數量極其龐大，因此如何在滿足電訊要求及天線結構剛強度的前提下，同時兼顧工藝、裝配、運輸和成本等各方面要素，實現天線單元的結構優化設計成為低頻稀疏孔徑陣列系統(LFAA)研究的關鍵內容之一。本文結合SKA低頻天線試驗子陣的研制，對SKA低頻天線單元的結構設計進行了詳細闡述。

1 子陣組成及指標

SKA低頻天線試驗子陣由16個低頻天線單元在直徑約8 m的圓內隨機稀疏放置而成，每個天線單元包含4組對數周期振子、1組低噪放模塊以及1組光電轉換模塊。結合電訊仿真要求及實際使用工況，總結結構設計指標要求：工作溫度，-40～+55 ℃；抗風能力，風速≤35 m/s，結構不破壞；結構變形，最大變形≤30 mm(20 m/s風速)；運輸性，包裝后可滿足公路、鐵路及空運運輸形式。

2 結構方案選擇

現代天線的結構設計是前期方案策略評估、中期力學仿真與電磁仿真相輔相成，以及后期實物測試結果反饋結構再優化的復雜過程。因此在前期方案選擇階段，需要從工藝性、經濟性、環境適應性等各方面權衡，以得到較優方案，縮短整體研發周期[3-5]。

2.1 結構方案Ⅰ

方案I天線單元由立柱、4組振子、塑料支架、塑料支撐、低噪放、光電模塊以及頂蓋等組成，如圖1所示。低噪放模塊安裝在塑料支架內部，通過4個彈片與振子連接實現饋電，振子由φ36 mm鋼管與9根輻射棒焊接而成。塑料支架插入鋼制立柱后鉚接固定，4組振子與塑料支架螺栓連接后，再通過塑料支撐與立柱連接，保持角度和方向，形成完整單元。

圖1 方案I天線單元結構組成

天線單元包絡尺寸為φ1 576 mm×1 835 mm，通過立柱底部法蘭與地面連接完成陣地安裝，光電模塊所連接的電纜從立柱側壁孔引出。

2.2 結構方案Ⅱ

方案Ⅱ天線單元由水泥基座、4組振子、塑料管、塑料支架、塑料支撐、低噪放、光電模塊以及頂蓋組成，如圖2所示。與方案Ⅰ一樣，低噪放和光電模塊均放置于塑料支架內，通過螺釘與振子頂部連接實現饋電。4組振子頂部與塑料支架螺接固定，底部與水泥基座上預埋螺栓連接，再通過4組塑料支撐與中間塑料管連接為一體，形成穩定結構。振子與方案Ⅰ振子不同，由鋼管+塑料棒+支腳裝配而成，保證與地面之間的絕緣。

圖2 方案Ⅱ天線單元結構組成

天線單元包絡尺寸為φ1 489 mm×1 943 mm，陣地安裝時，天線單元直接落座地面即可，內部光電模塊所連接電纜從中間塑料管引出，同時配格蘭頭進行密封。

2.3 方案對比

上述2種方案從結構外形上看基本類似，但各有優缺點，具體如表1所示。

表1 2種方案優缺點對比

對比上述方案優缺點，綜合考慮工藝性、經濟性以及安裝架設工作量，方案Ⅱ為較優方案，開展進一步的細化設計。

3 結構方案Ⅱ關鍵技術

3.1 裝配工藝性設計

在詳細設計階段，考慮到饋電連接的可靠性，饋電部分裝入塑料支架內獨立封裝為模塊作為最優選擇。因此將振子實際劃分為2個部分，一部分由輻射板和3根輻射棒焊接而成，其與塑料支架、頂蓋、低噪放以及光電模塊裝配為一體，封裝為獨立的功能模塊，具體組成如圖3所示。輻射板與低噪放之間由4顆沉頭螺釘連接，為防止低噪放受力，輻射板卡入塑料支架槽內限位。

圖3 頂部獨立模塊結構組成

振子另一部分則由φ30 mm×2 mm鋼管，5根輻射棒，尼龍棒以及支腳組成，如圖4所示。尼龍棒與支腳和鋼管之間均過盈插入連接，輔以緊定螺釘固定，輻射棒則焊接在鋼管對應位置。

圖4 振子部分結構組成

天線單元另一處關鍵設計點在于塑料支撐與振子之間的裝配結構，如圖5所示。塑料支撐分為支撐a、支撐b和壓板3種零件，支撐a和支撐b相互螺栓連接，卡住中間塑料管和4根振子金屬管，塑料管上安裝2個卡箍限位，形成穩定結構。支撐a和支撐b上均設計卡槽與最下層輻射棒配合，再通過壓板固定，保證輻射棒的剛度，控制振子變形。

圖5 塑料支架結構組成

上裝功能件落座基礎為水泥基座，通過在模具內鋪置鋼筋框架、預埋螺栓以及拉手，再澆筑混凝土而成，整體結構如圖6所示。為防止基座內積水，基座四角均設計有凸臺與地面接觸，同時基座上預留4個孔，以供陣地布置時，可選擇打地樁與地面固定。

圖6 水泥基座

3.2 運輸性設計

對于SKA低頻天線這種大規模、大尺寸的天線，結構的運輸性設計極為重要，合理的運輸性設計可大幅降低運輸及現場安裝成本。

如3.1節內容所示，本天線單元運輸狀態可拆分為頂部模塊、振子、水泥基座、塑料支撐和塑料管5個部分獨立運輸。頂部模塊預裝電纜繞著模塊盤成一圈，裝箱運輸，如圖7所示。振子則排成兩排交叉倒立于運輸木架上，外部纏包裝膠帶防護及加固，裝入貨車內運輸，如圖8所示。

圖7 頂部模塊運輸示意 圖8 振子運輸示意

另外水泥基座則可進行碼垛運輸，或者在陣地現場制作，運輸經濟性優良。

3.3 環境適應性設計

本天線單元的環境適應性設計需從材料選擇、表面處理和結構合理設計3個方面進行[6-7]。天線單元的材料體系和表面處理方式如表2所示。

表2 材料體系和表面處理方式

單元主要金屬構件為Q235鋼管和鋼板，材料為市場常見材料，考慮到易腐蝕特性，先采用熱浸鋅電鍍處理，再采用環氧鋅黃底漆+環氧云鐵中漆+丙烯酸聚氨酯磁漆的方式進行涂覆處理，確保鋼制件的環境適應性[8]。

而塑料支架等注塑件選用丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)，該種材料具有卓越的熱穩定性，優異的耐候性、抗老化性和耐變黃性[9]，已在各種工業產品上得到廣泛應用。另外塑料管選用市場常見的PVC管，其力學性能優良，化學穩定性好，適合作為輔助承力件。

在上述內容基礎上，還需合理結構的設計才能保證良好的環境適應性，主要體現在：

a.低噪放和光電模塊封裝在塑料支架內，穿入電纜均用格蘭頭密封防護，保證電子器件的良好防護環境。

b.振子鋼管與尼龍棒過盈連接的同時，在連接位置處涂膠密封，保證鋼管內部可靠防護。

4 仿真分析

力學仿真分析是該類大型天線單元結構設計必不可少的環節，本天線單元主要需要校核的工況是20 m/s風載荷條件下的剛度和35 m/s風載荷條件下的強度，針對最終模型的仿真結果如圖9所示[10]。

由圖9可知，20 m/s風載荷作用下，天線單元變形27.6 mm<30 mm，滿足剛度指標要求。而在35 m/s風載荷時，天線單元最大應力為105 MPa，位置在最下層輻射棒根部，小于其所用材料Q235屈服應力，滿足強度指標要求。

圖9 力學仿真結果

5 結束語

針對優選方案，在保證結構剛強度指標的基礎上，采用模塊化設計的方法保證了天線單元優良的裝配工藝性及運輸性，同時在材料選擇、表面處理以及合理結構設計3個方面解決了環境適應性問題，建立了SKA低頻天線工程化實現的路徑。

目前，該天線試驗陣已完成實物研制，結構裝配效果良好，但還未進行環境試驗，是否能夠滿足SKA系統實際工作環境要求還未有定論。但是該天線的設計過程對于該類型大尺寸對數周期天線的結構設計具有一定的借鑒意義，同時其所建立的工程化路徑對于SKA工程發展具有一定的推動作用。