某車載高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳凡龍,趙承三,邱坤濱

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

車載雷達(dá)相較其他同類雷達(dá)具備快速可靠架設(shè)和撤收功能,大大提升了雷達(dá)戰(zhàn)時(shí)的生存能力。為擴(kuò)大低頻段天線陣面的口徑,不僅須折疊天線陣面,甚至還要將天線單元倒伏放置,從而壓縮運(yùn)輸狀態(tài)下的天線陣面包絡(luò)。為配合車載雷達(dá)的快速架/撤功能,研究一種具備天線單元自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能的可折疊天線陣面顯得尤為重要。本文基于一種低頻段雷達(dá),提出一種天線單元被動(dòng)翻轉(zhuǎn)的高機(jī)動(dòng)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 組 成

主天線陣面結(jié)構(gòu)尺寸約為9 m×5.2 m(方位×俯仰),為滿足公路、鐵路、水路運(yùn)輸通過性需求,確保整車機(jī)動(dòng)性能的實(shí)現(xiàn),天線陣面沿高度方向共分3塊:上陣面、中陣面和下陣面,上陣面集成二次天線。在運(yùn)輸狀態(tài)時(shí),3個(gè)陣面呈“門”字型折疊,折疊后外形寬度約為2.5 m;當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí),整個(gè)陣面骨架合為一體形成完整陣面。中陣面與轉(zhuǎn)臺(tái)之間由兩處支耳連接,通過兩組電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)陣面90°翻轉(zhuǎn);上陣面、下陣面分別通過兩組電動(dòng)缸與中塊連接,實(shí)現(xiàn)展開與折疊。同時(shí),邊陣面和中陣面上的天線單元通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊與展開,如圖1所示。

圖1 主天線陣面展開和折疊示意圖

該天線陣面由1個(gè)中陣面、1個(gè)上陣面和1個(gè)下陣面組成,3個(gè)子陣面各安裝2×8(行×列)天線單元,上陣面和下陣面相對(duì)于中陣面上下對(duì)稱布置,與中陣面之間都通過4處支耳連接,通過各兩組電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。天線陣面的主要設(shè)備包括:天線骨架、反射網(wǎng)、陣面機(jī)柜、DAM總成、二次雷達(dá)和GPS天線,其中二次雷達(dá)天線和兩個(gè)GPS天線固定安裝在上陣面的頂端,如圖2所示。

圖2 天線陣面示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線骨架采用桁架式結(jié)構(gòu),尺寸為9 m×5.2 m(方位×俯仰),采用鋁管焊接成桁架式結(jié)構(gòu)[1]。鋁管選用5A06鋁合金管型材,規(guī)格為Ф50×4、Ф40×3和Ф30×3。天線骨架由上邊塊、中塊和下邊塊組成,各分塊之間通過鉸鏈連接,由邊塊折疊電動(dòng)缸提供動(dòng)力。運(yùn)輸時(shí)上、下邊塊通過電動(dòng)缸折疊90°倒下,與中塊形成“門”字型結(jié)構(gòu),完成天線撤收。

天線中骨架的主要功能是安裝陣面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及電子設(shè)備,并提供結(jié)構(gòu)載體與舉升機(jī)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線陣面舉升和倒伏,其主要接口包括陣面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝接口、綜合機(jī)柜安裝接口、轉(zhuǎn)臺(tái)連接接口、舉升電動(dòng)缸連接接口、DAM總成機(jī)柜接口等,其中陣面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝接口為邊塊折疊電動(dòng)缸的接口。天線中骨架采用5A06鋁合金管材焊接而成,連接支耳也選用5A06鋁合金材質(zhì),支耳孔內(nèi)嵌工程塑料軸套。中塊天線骨架的結(jié)構(gòu)及安裝接口如圖3所示。

圖3 天線中骨架結(jié)構(gòu)及安裝接口

該雷達(dá)天線骨架上邊塊的主要功能是安裝陣面展開機(jī)構(gòu)、提供結(jié)構(gòu)載體、安裝二次雷達(dá)天線和GPS天線等,其主要接口包括陣面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝接口、二次雷達(dá)天線安裝接口和GPS天線安裝接口等。上邊塊的結(jié)構(gòu)及安裝接口如圖4所示。

圖4 天線骨架上邊塊結(jié)構(gòu)及安裝接口

該雷達(dá)天線骨架下邊塊的主要功能是安裝陣面展開機(jī)構(gòu)、提供結(jié)構(gòu)載體、安裝DAM總成機(jī)柜等,其主要接口包括陣面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝接口、DAM總成機(jī)柜安裝接口等。下邊塊的結(jié)構(gòu)及安裝接口如圖5所示。

圖5 天線骨架下邊塊結(jié)構(gòu)及安裝接口

該雷達(dá)反射網(wǎng)先用幾種規(guī)格的條狀鋁板鉚接,然后用鋁絲和鋁板焊接成型,四周預(yù)留與天線骨架的安裝接口,如圖6所示。

圖6 反射網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

2.2 天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線單元為T型振子形式,共48個(gè),分為6行8列。中塊和上、下邊塊上分別布置了2行8列天線單元。當(dāng)工作時(shí),天線單元水平垂直于天線反射面。運(yùn)輸時(shí),天線單元翻轉(zhuǎn)90°,與反射面平行。每個(gè)子陣面的每行振子分為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)桿,兩桿同軸且固定旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)桿通過軸承和軸承座與天線骨架連接,并通過天線單元聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線單元的一次性自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。圖7為單行天線單元結(jié)構(gòu)圖。

圖7 單行天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線陣面包含天線骨架、反射網(wǎng)、陣面機(jī)柜、DAM總成、二次雷達(dá)和GPS天線,將所有設(shè)備集成后,連接上相應(yīng)電纜,所設(shè)計(jì)的天線陣面結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

3 天線單元聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線單元聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于骨架內(nèi)部,其一端固定于骨架上,另一端連接天線單元轉(zhuǎn)桿,通過邊骨架的折疊與展開驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),最終驅(qū)動(dòng)天線單元作動(dòng)。

聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要功能:在運(yùn)輸過程中,聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)約束天線單元折疊貼附于陣面之上,既可防止天線陣面運(yùn)輸超限,又保證了天線單元在運(yùn)輸過程中的剛度特性。在工作過程中,聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)天線單元隨邊塊的展開動(dòng)力而自動(dòng)翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài),省去了雷達(dá)操作人員手工翻轉(zhuǎn)再固定的流程,提高了架設(shè)和撤收效率。

48個(gè)天線單元可分為兩類:中塊天線單元(2×8=16個(gè))和邊塊天線單元(4×8=32個(gè)),二者的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)均基于四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理[2]。由鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)類型的判斷條件可知,圖9中邊陣面上聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙擺桿機(jī)構(gòu),不存在曲柄;中陣面上聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu),且兩個(gè)連架桿等長,在運(yùn)動(dòng)中的某一瞬時(shí)為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。天線陣面的展開狀態(tài)、中間狀態(tài)和折疊運(yùn)輸狀態(tài)分別如圖9(a)～(c)所示,其中圖中標(biāo)識(shí)的角度為邊陣面與中陣面的瞬時(shí)夾角。

圖9 特定角度下天線單元運(yùn)動(dòng)原理圖

通過簡單的理論力學(xué)計(jì)算,對(duì)陣面任一狀態(tài)下天線單元及其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分析,最后可得連桿產(chǎn)生的附加阻力矩約為200 Nm(計(jì)及射頻線纜阻力在內(nèi)),簡化過程見圖9(d)。

4 天線結(jié)構(gòu)仿真分析

4.1 模型建立

基于有限元建模基本原則和簡化方法,根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式,建立有限元模型如圖10所示[3-5],此處進(jìn)行了一定的簡化,去除了對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小的倒角、小螺紋等結(jié)構(gòu)。天線骨架的鋁合金管材簡化為梁單元,天線骨架上的支耳等簡化為殼單元,轉(zhuǎn)臺(tái)、撐腿等結(jié)構(gòu)也主要采用殼單元進(jìn)行模擬,陣面機(jī)柜、DAM總成、二次天線配重等非承力結(jié)構(gòu)采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效。模型共包含144 533個(gè)單元和132 617個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析模型的質(zhì)量與設(shè)計(jì)模型一致。

圖10 天線系統(tǒng)有限元模型

天線骨架主體部分結(jié)構(gòu)所使用的材料主要為5A06鋁合金,轉(zhuǎn)臺(tái)和車平臺(tái)主體部分結(jié)構(gòu)所使用的材料主要為Q355D合金鋼,各部分承力結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。仿真工況:天線處于工作狀態(tài),天線仰角85°,考慮自重,正向迎風(fēng)20 m/s,天線轉(zhuǎn)速為6 r/min。

表1 材料力學(xué)性能表

4.2 仿真結(jié)果分析

在陣面架設(shè)狀態(tài)下,天線系統(tǒng)和天線陣面的力學(xué)分析結(jié)果如圖11所示。

(a) 天線系統(tǒng)

可以看出,在工作狀態(tài)下,天線系統(tǒng)材料Q355D應(yīng)力最大響應(yīng)位于轉(zhuǎn)臺(tái)與肋板的連接位置,其等效應(yīng)力為127 MPa;天線陣面的應(yīng)力最大響應(yīng)位于靠近中心的斜撐梁位置,其等效應(yīng)力為19.3 MPa,結(jié)構(gòu)安全。天線陣面和轉(zhuǎn)臺(tái)等強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,且有一定的安全余量[2]。

圖12給出了天線陣面前3階模態(tài)頻率及振型,分別表征天線陣面前后搖擺、左右扭動(dòng)和左右搖擺。前3階模態(tài)的頻率均大于1.5 Hz,滿足環(huán)境設(shè)計(jì)要求(≥1.5 Hz)。

(a)一階模態(tài),頻率為2.71 Hz

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了天線單元可隨動(dòng)翻轉(zhuǎn)的天線陣面,驅(qū)動(dòng)天線單元的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性高,實(shí)現(xiàn)了天線單元隨天線陣面的高精度翻轉(zhuǎn)。因此本文的天線陣面在車載雷達(dá)的架設(shè)和撤收過程中表現(xiàn)出了高可靠性和易維修性,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可為類似的天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。