大口径星载雷达天线结构分析

电子机械工程Ｅｌｅｃｔｒｏ—ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２００７年第２３卷第５期２００７．Ｖ０１．２３Ｎｏ．５大口径星载雷达天线结构分析＋程亮（南京电子技术研究所，江苏南京２１００１３）摘要：论述了大口径星载雷达天线的结构设计，详细介绍了高模量碳纤维框架的设计和平面度、刚度保证措施，对天线的平面度和动态特性分别进行了分析和测试，框架模态的仿真分析结果与实测结果基本一致，为天线发射状态压紧点的优化提供了依据。

并用ＴｅｓｔＬａｂ中的模态预测软件计算质量增加后结构的模态参数，仿真分析了框架在压紧状态和展开状态的模态。

分析表明大口径雷达天线能满足星栽结构方面的指标要求，为大口径天线的星载雷达立项打下了基础。

关键词：星载雷达；天线；碳纤维复合材料；模态分析；模态测试中图分类号：ＴＮ９５７．２文献标识码：Ａ文章编号：１００８—５３００（２００７）０５一００２４—０３ＴｈｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｎｔｅｎｎａｓＳｔｌｌＪｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＬａｒｇｅＣａｌｉｂｅｒＳｐａｃｅ—ｂａｓｅｄＲａｄａｒＣＨＥＮＧＬｉａｎｇ（№，沈增Ｒ咖ｏｒｃ＾加觑把Ｑ厂Ｅｆｅｃ舳ｎ洳死如ｎｏＺ嘲ｒ，№埘增２１００１３，观ｉ陀Ⅱ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｓｔＩｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｃａｌｉｂｅｒｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄｒａｄａｒａｎｔｅｎｎａ，ｅｘｐｌａｉｎｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｒｉｇｉｄｉｔｙｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｆｈｍｅａｎｄｔｈｅｇｕａｍｎｔｅｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｉｔｓｐｌａｎｅｄｅｇｒｅｅａｎｄｒｉｇｉｄｉｔｙｉｎｄｅ—ｔａｉｌ，ａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｔｅｓｔｓｔｈｅｐｌａｎｅｄｅ铲ｅｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ￡ｈｅａｎｔｅｎｎａ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｍｏｄｅａＦｅｅｓｂａｓｉｃａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｉｍｐａｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓｗｈｅｎｔｈｅａｎｔｅｎｎａｉｓｌａｕｎｃｈｅｄ．ｒＩ’ｈｅｓｔｌｌｌｃｔｕｒｅｍｏｄｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｓｃａＩｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＴｅｓｔＬａｂｗｈｅｎｔｈｅｍａｓｓｏｆｔｈｅｆ而ｍｅｉｎｅｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｆｒａｍｅｍｏｄｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｗｈｅｎｔｈｅｆＩａｍｅｉｓｐｒｅｓｓｅｄａｎｄｄｅｐｌｏｙｅｄＩ℃ｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｌａｒｇｅｃａｌｉｂｅｒｒａｄａｒａｎｔｅｎｎａｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｓｐｅｅｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｕｓｌａｙｉｎｇｔｈｅｆ６ｕｎｄａｔｉｏｎｆｂｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｃａｌｉｂｅｒａｎｔｅｎｎａｉｎｔｈｅｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄｒａｄａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ－ｂａｓｅｄｒａｄａｒ；ａｎｔｅｎｎａ；ｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｅｔｅｓｔＯ引言星载侦查雷达具有全天候、全天时的对地观测能力¨Ｊ，主要发达国家都非常重视研制星载侦查雷达，美国是研究和发射星载雷达最多的国家。

对星载雷达来讲，天线是主要的组成部分，随着分辨率的要求提高，天线的口径越来越大，天线的平面度指标更加难以达到，重量和刚度之问的矛盾变得更加突出。

文中主要从保证天线的平面度和刚度两个方面，研究星载雷达天线的结构。

ｌ天线的结构方案概述天线采用可折叠平面阵结构，由三块子板组成，在＋收稿日期：２００７—０５一１２卫星发射阶段呈ｎ型，一个中板和两个侧板，展开总面积达十几平方米。

两侧板通过展开机构展开，文中以状态最复杂的侧板为研究对象。

图１天线模块结构大口径的相控阵天线一般采用模块结构，模块的方案决定了整个天线的方案。

有源天线的模块由天线电气板、有源组件、电源、结构板、框架等组成，其结构主要有以下两种型式，一种是天线电气板安装在框架万方数据第５期程亮：大口径星载雷达天线结构分析２５的一侧，有源组件和电源等安装在框架内，如Ｔｅｒｒａ—ＳＡＲ—ｘ雷达天线的模块结构。

２ｏ，如图１所示，辐射单元采用波导裂缝结构形式，模块尺寸为７５４ｍｍ×３９８ｍｍ∞ｏ，天线模块直接固定到星体上。

另一种是天线电气板、有源组件和电源等一体化设计后直接安装到框架上，国外某星载雷达的一体化电气模块结构如图２所示。

图２电气模块不意图本课题中模块的设备量比ＴｅｒｒａＳＡＲ—ｘ天线模块大得多，一侧安装难以实现，而且天线电气板采用了特殊的结构，因此采用夹心结构是可行的选择，即框架的两侧分别为天线电气板和有源组件，有源组件安装在一块蜂窝夹心板上后，再安装到框架上，其模型如图３所示。

图３侧板的模型图２框架的设计从结构形式来看，天线的平面度、刚度主要取决于框架的结构设计，以下重点对框架进行分析。

框架主要由横框、纵框、接头、预埋件等组成，横框和纵框均由碳纤维增强复合材料制成，要求重量轻、强度高、刚性好，所以要采用比模量、比强度高的材料，也要求有耐空间环境能力。

在设计过程中对几种模量的碳纤维材料进行了对比分析，在框架刚度相同的情况下，采用低模量碳纤维要比采用高模量碳纤维的框架重约１０ｋｇ，在重量相同，压紧释放装置分布相同的情况下，采用低模量碳纤维要比采用高模量碳纤维的频率小约４Ｈｚ。

而且，根据成功的卫星使用过的碳纤维复合材料的情况，我们选择技术成熟、可凝挥发份含量、耐辐射性及高低温性能等均满足卫星空间环境的复合材料，即为上述的高模量碳纤维／环氧树脂复合材料。

该复合材料缠绕成形的工艺也是国内成熟的。

纵框位于框架长度方向，所以它的刚度很重要。

为了提高框架的刚度，在不与天线电气部分干涉的情况下，纵框之间安装有横框。

横框将纵框连成整体，同时其上有展开机构、压紧释放机构的安装位置，与星体的连接点。

在横框与纵框的“Ｔ”形连接处，采用接头连接。

接头采用碳纤维环氧树脂复合材料。

侧板框架模型如图４所示。

图４框架模型３框架的模态分析采用软件ＡＮｓＹｓ对框架进行模态分析，采用梁单元建立有限元模型，如图５所示。

材料的弹性模量为１．０２６５Ｅｌ１Ｐａ，剪切模量为３．８６５Ｅ１０Ｐａ，泊松比：０．３３；密度：１．８１Ｅ３ｋ∥ｍ３。

经计算，前４阶频率依次为：３３．７１７Ｈｚ，７０．０３６Ｈｚ，８２．４２８Ｈｚ，９９．８５０Ｈｚ。

第一、二阶振型如图６、图７所示。

图５框架有限元模型４框架的模态测试测试原理如图８所示。

测试状态如图８中的图片，用４根弹性绳吊起框架，起吊固有频率小于２Ｈｚ。

主要测试设备是比利时ＬＭＳ公司数据采集与模态分析系统ＴｅｓｔＬａｂ。

试验时在天线框架上布置了５５个测点，各测点的位置如图９所示。

激振方式：采用锤击激振，并根据分析频率带万方数据２６电子机械工程第２３卷图６第一阶振型图７第二阶振型图８锺击法模态测试框图宽，选择了刚度适中的锤头。

实测结果表明，该激振方法能够有效地激出天线框架的各阶主要模态。

测试中采用以下措施确保频响函数质量：选择合适的激振方式和激振点，每个频响函数做多次平均，用相干函数把关，对共振峰半功率带宽内相干值小于９５％的频响函数剔除重做。

采用ＴｅｓｔＬａｂ模态分析软件中的Ｐｏｌｙ．ｍａｘ法识别天线框架的模态参数。

天线框架模态试验结果见表２，第一、二阶振型如图１０、图１１所示。

与仿真结果相比，第一、二阶振型基本相似，实测的固有频率比仿真结果要低，主要原因：框架的实际材料本身没有达到仿真计算用的刚度值，纵框和横框的交接处刚强度偏低。

因此仿真结果可信，对今后框架的设计有一定的指导意义，为天线侧板在天线发射状态优化压紧点的位置和数量提供了依据。

在５５个测点上各增加６ｋｇ的集中质量，用ＴｅｓｔＬａｂ中的模态预测软件计算质量增加后结构的模态参数，其结果见表１，第一阶振型如图１２所示。

表１天线框架模态测试和预测结果阶数第一阶第二阶第三阶第四阶实测频率（Ｈｚ）２９．７６６．３８１．１９４．０预测频率（Ｈｚ）５．４２１．４２４．５３０．９图９测点布置图图１０第一阶测试振型图１１第二阶测试振型图１２第一阶预测振型５侧板的模态分析采用软件ＡＮＳＹＳ分别对收拢状态和展开状态的天线侧板进行了模态分析。

其中收拢状态压紧点经过了优化设计，框架两侧安装的天线电气板和有源组件板按照分布质量考虑；展开状态，天线侧板受转动交连和撑杆的约束。

经仿真计算，两种状态下，第一阶固有频率都能满足星载的要求。

（下转第４０页）万方数据电子机械工程第２３卷图２所示为焊接时零件的装配状态及焊缝位置。

图２焊接时零件装配状态及焊缝２结束语文中介绍和讨论了一种较复杂器件——谐波滤波器的制造过程要点，对其主要加工过程中的加工变形进行了比较详细的分析，提出了具体的变形控制方法并较好地实现了对加工变形的控制。

运用这些方法，制造了较高质量和高性能的产品。

参考文献：［１］宾鸿赞，曾庆福．机械制造工艺学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０（上接第２６页）６平面度分析和测量［２］哈尔滨工业大学，上海工业大学主编．机械制造工艺理论基础［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，１９８８［３］孙大涌，等．先进制造技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００［４］赵丽丽，张以都．预拉伸板轧制一拉伸残余应力的计算机仿真［Ｊ］．北京航空航天大学学报，２００４，３０（７）：６０６—６０９［５］董辉跃，柯映林．残余应力对加工变形影响的分析与模拟［Ｊ］．航空材料学报，２００５，２５（５）：５４—５７作者简介：李直（１９７６一），男，安徽合肥人，工程师，南京航空航天大学在读工程硕士，主要从事机械加工工艺和先进制造技术的研究工作。

朱如鹏（１９５９一），男，教授，博士生导师，主要从事现代设计理论和方法，以及ｃＡＤ／ｃＡＥ／ｃＡＭ等的研究工作。

金肖（１９４６一），男，浙江嘉兴人，高级工程师，主要从事产品总体工艺技术研究工作。

侧板的平面度主要取决于框架的平面度，提高框架的平面度主要采取以下措施：通过合理布置加强筋提高框架的刚度，选择优化的加工工艺，选择比强度和比刚度较高的材料等。

而单模块天线的平面度、尺寸误差、安装误差等对侧板的平面度都有影响。

测量状态为常温常压下，天线阵面与地面垂直。

所用测试仪表：电子双经纬仪ＤＴｌ０１０，共测得３１９个点，去掉１个异常点和一个漏测点，实测结果为天线的平面度１．０８ｍｍ，均方根为０．１２５ｍｍ。