輕量化高精度反射面天線保型設計與動靜態特性分析

□ 劉健泉 □ 蔣立坤 □ 周書中 □ 王奧雨 □ 胡 靜 □ 程志峰 □ 韓貴梅

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 石家莊 050081 2.中華通信系統有限責任公司河北分公司 石家莊 050081

1 研究背景

為滿足中低軌道衛星的跟蹤需求,測控站天線朝著高精度、輕量化、多頻段方向發展。在國外,遙感衛星地面接收站網已規劃布局[1-2]。對于測控天線而言,笨重的結構會使天線造價昂貴、功耗嚴重[3]。因此,在滿足精度、動態特性的前提下,應盡可能進行輕量化設計。

在高精度反射面天線研制方面,國內外大多采用鋼板焊接中心體、鋼制輻射梁、環向拉桿組成天線背架,面板調整支座的位置在特定樣板上配焊實現,易產生焊接變形,工藝過程復雜。通過調整支座及螺桿,可以實現多級調整。反射面板采用鋁合金板材和Z形筋鉚接結構,在鉚接過程中貼模性較差,易產生變形,難以達到較高的精度。國內外學者在天線保型設計、力學分析、精度測量等多方面開展相關技術研究[4-6],進一步提高了天線的指向穩定性和跟蹤性能。

基于測控需求,筆者研制了一款輕量化高精度反射面天線,通過三自由度調整方法、天線反射體輕量化技術、基于面板整體互連的結構保型技術,有效減輕了天線反射體的整體質量,達到了較高的主面再裝精度。基于有限元軟件對天線反射體進行動靜態特性分析、面形精度分析,結果表明天線主面精度及承載能力均滿足要求。經過現場電氣測試,天線的主面精度、增益,以及系統地面站性能指數均滿足要求。

2 天線反射體主要性能指標

天線反射體的主要性能指標中,工作頻率下行為19.2 GHz～21.2 GHz,上行為29 GHz～31 GHz,天線直徑為6.2 m,天線反射體質量不大于1 t,主面精度不低于0.3 mm,天線固有諧振頻率不低于5 Hz,接收天線增益不小于59.4+20lg(F/19.2)dBi,發射天線增益不小于63.4+20lg(F/29.0)dBi。在晴空,微風,環境溫度為-20～60 ℃,仰角不小于20°的情況下,地面站性能指數不低于33.5+20lg(F/19.2)dB/K。F為天線工作頻率。

3 天線反射體結構

6.2 m天線反射體的整體結構如圖1所示,主要由反射面單元、反射體骨架、副反射體、饋源網絡及支撐、根部面板調整組件、外側面板調整組件組成。

▲圖1 6.2 m天線反射體整體結構

每個反射面單元獨立與天線背架相連接,具有調整功能,可準確調整和固定反射面單元的位置,保證反射面單元的整體安裝精度。反射面單元主要由蒙皮、根部面板預埋件、外側面板預埋件組成,由碳纖維材料加工而成。每塊扇形反射面的制造精度均不低于0.1 mm,總裝后的反射面精度不低于0.3 mm。反射面單元結構如圖2所示。

反射體骨架由桁架支撐及16根主拉桿組件組成。開放的桁架支撐結構由中心支筒、加強圈、立筋、連接法蘭組成,顯著特點是剛性好,外形美觀,易于表面防腐處理。桁架支撐結構如圖3所示。主拉桿組件由主拉桿、上接頭、下接頭組成,采用碳纖維材料制成。主拉桿組件將中心體下端面與面板相連,質量輕,外形美觀,為反射面主面提供支撐。主拉桿組件結構如圖4所示。

▲圖2 反射面單元結構

▲圖3 桁架支撐結構

▲圖4 主拉桿組件結構

4 天線主面精度調整

基于攝影測量結果,通過根部面板調整組件的長圓孔進行法向調整,通過與根部面板調整組件相連的內側組合墊進行徑向調整,通過外側面板調整組件的長圓孔進行法向調整,通過外側面板調整組件的中心組合墊進行周向調整。根部面板調整組件結構如圖5所示,外側面板調整組件結構如圖6所示。

反射面主面精度粗調時,天線反射體安裝到位,在外側第一圈面板調整組件及外側第二圈面板調整組件位置附近增加工裝支撐,主拉桿組件安裝到位后螺釘固定,根部面板調整組件及外側面板調整組件依次安裝到相應位置后由螺釘固定,進而確定反射面的相對位置。

▲圖5 根部面板調整組件結構

▲圖6 外側面板調整組件結構

反射面主面精度精調時,根據攝影測量結果進行調整,直到初始狀態,即朝天狀態下主面精度達到0.2 mm的要求。反復拆裝幾次,直到再裝精度達到0.3 mm的要求。在主拉桿組件與桁架支撐連接位置、主拉桿組件與主反射面單元連接位置、外側面板調整組件相應位置由螺栓定位、螺釘固定,完成主面精度的精調。

主面精度調整流程如圖7所示。

5 技術創新點

(1)三自由度調整。半封閉的面板調整組件可以實現主反射面位姿的徑向、周向及法向調整,方便快捷。面板調整組件中的系列組合墊具備互換性,可提高調整效率。

(2)天線反射體輕量化設計。開放的桁架支撐及可調節碳纖維主拉桿組件構成天線反射體背架,極大簡化了天線背架的設計,并有效減輕了天線反射體的整體質量。

(3)天線反射體保型設計。面板調整組件使反射面實現整體互連,比剛度大,保型性好。面板調整組件直接與面板預埋件相連接,省去配焊工藝流程,提高位置精度。

▲圖7 主面精度調整流程

6 靜態特性分析

以ANSYS有限元分析軟件為平臺進行天線反射體承載結構的有限元分析。通過APDL軟件建立有限元模型,對天線反射體的整體結構施加耦合,進行剛度強度特性分析、主面精度分析、安全性校核,得到典型俯仰角下的天線精度及承載能力。

主拉桿組件和天線反射面主面材料為碳纖維,反射面副面材料為鋁,其余構件材料均為鋼。計算模型中單元使用情況見表1。

表1 計算模型中單元使用情況

添加約束與耦合后,有限元模型如圖8所示。

實際工程中,風載荷的計算公式為:

Fx=CxAQ

(1)

Fy=CyAQ

(2)

▲圖8 有限元模型

式中:Fx為迎風阻力;Fy為橫向阻力;Cx為迎風阻力因數;Cy為橫向阻力因數;D為天線直徑;A為天線口徑面積;Q為風壓。

對于保型設計,面精度是吻合后位移的均方根值。文獻[7-8]對標準拋物面天線的最佳吻合拋物面進行研究,方法雖有不同,但最終的吻合精度基本一致。設計拋物面與最佳吻合拋物面如圖9所示。

▲圖9 設計拋物面與最佳吻合拋物面

根據天線使用的環境,分別選取俯仰角為0°、45°、90°工況對天線進行剛度強度分析、主面精度分析,載荷為自重+8級風,風速為21 m/s,考慮天線反射體正吹、側吹、背吹的情形。

由焦距誤差引起的反射面焦點變化誤差為:

(3)

式中:Δf為焦距誤差;α為俯仰角;ΔX1、ΔY1、ΔZ1依次為由焦距誤差引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由俯仰角變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(4)

式中:θy為俯仰角變化量;ΔX2、ΔY2、ΔZ2依次為由俯仰角變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由方位角變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(5)

式中:θz為方位角變化量;ΔX3、ΔY3、ΔZ3依次為由方位角變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

由發射面頂點變化引起的反射面焦點變化誤差為:

(6)

式中:ΔXv、ΔYv、ΔZv依次為反射面頂點在X、Y、Z方向的位移變化量;ΔX4、ΔY4、ΔZ4依次為由反射面頂點變化引起的反射面焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

根據式(3)～式(6),得到最佳吻合拋物面焦距和無變形理論拋物面的誤差公式為:

(7)

式中:ΔX5、ΔY5、ΔZ5依次為最佳吻合拋物面的焦點在X、Y、Z方向的位移變化量。

通過對變形數據的分析,選取俯仰角45°為預調角進行最佳吻合拋物面數據處理,進而得到俯仰角為0°、45°、90°時的結構變形、最大應力、主面均方根精度分析結果,依次見表2、表3、表4。

表2 俯仰角0°時分析結果

表3 俯仰角45°時分析結果

表4 俯仰角90°時分析結果

由表2～表4可知,俯仰角為0°,風速為21 m/s,正吹時變形最大,最大變形量為1.743 mm,滿足要求。俯仰角為45°,風速為21 m/s,正吹時應力及主面精度最大,最大應力σ為27.36 MPa,最大主面精度為0.081 4 mm,滿足要求。

限于篇幅,僅給出俯仰角為0°,正吹時的位移與應力云圖,分別如圖10、圖11所示。

▲圖10 俯仰角0°正吹時位移云圖

▲圖11 俯仰角0°正吹時應力云圖

7 動態特性分析

結構模態分析是動態特性分析的一種方法,目的是為類似反射面的動態優化設計提供理論依據。為避免天線結構的固有頻率落在伺服帶寬范圍內,提高天線的指向精度,必須使天線結構系統擁有較高的最低固有頻率[9]。

基于振動理論,天線系統承載結構振動的動力平衡方程為:

(8)

對于無阻尼模態分析,式(8)中C和F(t)為零。此時,天線系統結構振動的動力平衡方程簡化為:

(9)

對于線性系統,式(9)的解為:

X(t)=φicos(ωit)

(10)

式中:ωi為與第i階模態相對應的固有頻率;φi為與第i階模態相對應的振幅。

將式(10)代入式(9),得:

(11)

對式(11)進行求解時,在各節點振幅φi不都為零的情況下方程有解,式(11)的系數行列式等于零,即:

(12)

假設天線系統的質量矩陣和剛度矩陣都是n階方陣,則式(12)為n次代數方程組。解式(12)得到天線系統的n階固有頻率后,代入式(11),最終得到與n階固有頻率對應的振幅φi。

由此可見,求解某個系統的各階固有頻率和與之相對應的各階振型,可以歸結為求解結構振動微分方程的特征值與特征向量。

基于ANSYS軟件進行模態分析,得到天線在不同俯仰角時的結構諧振頻率。天線在不同俯仰角時的結構前四階固有頻率見表5,俯仰角為45°時的天線反射體振型如圖12所示。

表5 天線結構固有頻率

在俯仰角為45°時,天線反射體的一階振型為反射面主面的上下振動,天線反射體的二階振型為反射面主面的前后振動,天線反射體的三階振型為副面支桿的前后振動,天線反射體的四階振型為副面支桿的左右振動。

經過計算分析,整個天線系統的一階固有諧振頻率為9.716 Hz,確認結構設計合理可行,滿足性能設計指標。

▲圖12 俯仰角45°時天線反射體振型

8 天線主面精度測試

對天線反射面主面進行精度測試,天線整體實物如圖13所示。

▲圖13 天線整體實物

對于大中型天線反射面的測量,目前常用的方法主要包括數字近景攝影測量法、激光跟蹤儀測量法、雙電子經緯儀測量法、射電全息術法等[10-12]。

筆者在六桿Ka頻段6.2 m天線項目中進行實測,主面精度為0.278 mm,不同俯仰角時主面精度見表6。

表6 主面精度測試結果

限于篇幅,僅給出俯仰角為45°時的主面精度數據點云分布和統計結果,如圖14、表7、表8所示。表8中,Σ為測試點均方根偏差。

▲圖14 主面精度數據點云分布

表7 主面精度數據點云統計結果

表8 主面精度數據點云點數

9 系統指標實測

經過現場測試,天線系統的增益、噪聲溫度、第一旁瓣、差波束零深均滿足性能設計要求。與伺服分系統配合,天線系統在典型頻點20.68 GHz的方位、俯仰和差測試方向圖分別如圖15、圖16所示。

10 結束語

筆者通過保型設計,實現了一種新型輕量化高精度反射面天線,滿足測控站輕量化、高精度、過頂跟蹤的要求。主要的技術創新點是基于半封閉的面板調整組件,實現反射面主面位姿的三自由度精度調整;基于開放的桁架支撐及可調節碳纖維主拉桿組件結構,在滿足比剛度要求的前提下減輕了天線反射體的整體質量;采用面板調整組件使反射面實現整體互連,實現天線反射體的整體結構保型精度。

▲圖15 方位和差測試方向圖

▲圖16 俯仰和差測試方向圖

從天線發射體的主面精度標校結果和天線系統現場對星電氣測試與實際跟蹤效果來看,天線反射體具有優良的性能,可以實現中低軌道衛星的高精度過頂跟蹤。