（机械制造及其自动化专业论文）大型反射面天线分析与优化.pdf

捅要 本文在查阅大量国内外文献的基础上，对地面反射面天线和星载反射面天线 的结构设计及电磁分析进行了研究。 首先，针对地面反射面天线，在p m s y s 软件中精确的建立了反射面模型及整个 背架模型，分析了天线在设计工况作用下的变形状况，并将变形后的天线模型导 入电磁分析软件f e k o 中，分析了结构变形对天线电性能的影响；同时针对某3 7 m 卡塞格伦天线，在实际天线螺栓位置添加垫片，模拟上述变形，测试变形后天线 的电性能，测试结果与软件计算结果比较吻合。 其次针对某新型星载可展开天线，对影响天线质量最大的关节进行了优化设 计。建立了问题的设计空间、目标函数和约束条件。对单级外齿轮啮合传动，以 齿轮体积最小为目标进行分析探讨，深入研究了设计变量的选取、约束条件的确 立等。对优化设计方法进行了选择，结合m a t l a b 编制了遗传算法的程序，运用到 本论文的研究对象上，有效的降低了天线的体积和质量，得到了良好的效果。 本文通过地面反射面天线结构变形对电性能的影响分析，为反射面天线的结 构设计提供了参考；对星载可展开天线的节点优化设计，为实际参考模型的制造 提供了依据。 关键词：a a s y s 反射面天线星载可展开天线结构电性能遗传算法 a b s t r a c t b a s e do nl a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，t h i st h e s i ss t u d i e st h e s t r u c t u r ed e s i g na n de l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i so fg r o u n da n ds a t e l l i t er e f l e c t o ra n t e n n a s f i r s t l y , r e f l e c t o ra n t e n n am o d e la n db a c kf r a m eo fa n t e n n aa r ea c c u r a t e l ye s t a b l i s h e d 、析t ha n s y ss o f t w a r e t h ea n t e n n ad e f o r m a t i o ni sa n a l y z e dw h e nt h ea n t e n n ai si nv a r i o u s l o a d s a n ds i m u l a t ea n t e n n ad i s t o r t i o nm o d e li sd e v i s e di nt h ec o n d i t i o no fp u t t i n gn o r m a l v e c t o rd i s p l a c e m e n to nt h ep o s i t i o no fb o l t ，a n dt h ee f f e c to fs t r u c t u r a ld e f o r m a t i o no n a n t e n n ae l e c t r i cp e r f o r m a n c ei sc a l c u l a t e db yu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i ss o f t w a r e f e k o ；t h e n ，s i m u l a t ea3 7 mc a s s e g r a i na n t e n n ad e f o r m a t i o na n dt e s to fa n t e n n ae l e c t r i c p e r f o r m a n c ea r ef i n i s h e da f t e rp l a c i n gag a s k e ti nt h ed i r e c t i o no fa c t u a la n t e n n ab o i t , a n d c a l c u l a t i n gr e s u l ti sc l o s et ot h et e s tr e s u l t s e c o n d l y ，f o ran e wt y p eo fs a t e l l i t ed e p l o y a b l ea n t e n n aj o i n tt h a th a v et h eb i g g e s t i m p a c to nt h eq u a l i 够o ft h ea n t e n n ai sd e s i g n e da n do p t i m i z e d t h e nd e s i g ns p a c e 、t a r g e t f u n c t i o na n dc o n s t r a i n t so fo p t i m i z a t i o nq u e s t i o ni se s t a b l i s h e d s i n g l e s t a g ee x t e r n a lm e s h t r a n s m i s s i o ng e a r sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h ec o n d i t i o no fm i n i m u mg e a rv o l u m e ， a n dt h es e l e c t i o no ft h ed e s i g nv a r i a b l e s 、c o n s t r a i n t sa n de t ci sa l s od i s c u s s e dd e e p l y f i n a l l y , c h o o s et h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o da n dp r o g r a mt h eg e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e d u r eb y c o m b i n g 、忻t 1 1m a t l a b t h e nt h ep r o g r a m m e du s e di nt h er e s o u r c e f u lo b j e c tg r e a t l yr e d u c e d t h ea n t e n n as i z ea n dm a s s a tl a s tt h es a t i s f y i n gr e s u l t sw e r eg o t i nt h i sp a p e r , o nt h eg r o u n dr e f l e c t o ra n t e n n as t r u c t u r ed e f o r m a t i o no nt h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e so ft h ei m p a c ta n a l y s i s ，f o rt h er e f l e c t o ra n t e n n as t r u c t u r a ld e s i g np r o v i d e sa r e f e r e n c e ；o fs a t e l l i t ed e p l o y a b l ea n t e n n an o d e st oo p t i m i z et h ed e s i g n ，f o rt h ea c t u a l r e f e r e n c em o d e lp r o v i d e st h eb a s i sf o rm a n u f a c t u r i n g k e y w o r d ：a n s y sr e f l e c t o ra n t e n n as a t e l l i t ed e p l o y a b l ea n t e n n as t r u c t u r ee l e c t r i c p e r f o r m a n c e g e n e t i ca l g o r i t h m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期型罗：! ：三 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型丝：! ：之 日期竺1 2 ：王：兰 第一章绪论 第一章绪论 引言 天线被广泛的应用于通信、雷达、导航、电子对抗、遥感遥测及射电天文等 领域，其作用是保证电性能指标。反射面天线结构简单、价格低，可以实现多种 形状波束( 针状、扇形、赋形、多波束) ，满足不同指标需要，因而在雷达装备 中得到广泛的应用。 反射面天线的电性能指标依赖于反射面表面的精度，而表面精度又取决于背 架和中心体的刚度，以及面板装配的准确与否。在自重、风荷等外载作用下，天 线表面精度将受到影响，这就导致电磁场边界条件发生变化，因而影响天线的电 性能指标。所以，研究天线在外载荷作用变形状态对天线电性能的影响以及试验 验证显得非常重要。 同时，对于星载反射面天线，由于受到航天运载工具( 运载火箭或航天飞机) 运载空间的限制，星载反射面天线的重量、收纳率、以及展开后反射面精度成为 星载反射面天线的主要性能指标。因此，减轻天线重量，提高天线收纳率成为星 载反射面天线设计需要解决的主要问题。本节将对反射面天线的发展现状系统的 总结。 1 1 1 反射面天线简介 1 1 反射面天线简介 反射面天线是面天线的一种，在雷达中应用最广。面天线还包括透镜天线、 喇叭天线、介质天线等，它们的分析方法是类似的。反射面天线一般又细分为抛 物柱面天线、旋转抛物面天线、卡塞格伦天线、双弯曲反射面天线、球反射面天 线等多种形式。 反射面天线的主要优点是在形成高增益和要求形状波束的同时，馈电简单、 设计比较容易、成本较低，能满足多种常规雷达系统的要求。因此反射面天线不 仅在过去和现在雷达设备中起过重要作用，在今后的雷达天线，仍占有不可取代 的一席之地i l 吐j 。 1 1 2 地面反射面天线 一、简单抛物面天线 大型反射荷天线分析与优化 抛物线是形成旋转抛物面( 简称抛物面) 的母线。抛物线足种平血曲线， 它是和焦点、准线等距离的动点运动轨迹的集合。其标准方程为r 2 = 4 土，蚓1 1 所 不抛物线的图形。 目 简单抛物面足应用最广的面天线，u r 分为一维抛物面( 抛物柱面) 天线和二 维抛物面( 旋转抛物面) 天线。前者还町分为水平抛物柱面天线和垂直抛物柱面 天线；后者也可分为圆口径抛物面天线、椭圆口径抛物面天线和切割门径抛物面 天线。 1 、抛物柱面天线 使抛物线沿垂直于焦轴的直线平行运动可得抛物柱面，在焦距上配置线阵馈 源就构成抛物柱面天线。该天线仪在抛物线所在平面内实现聚焦，另一维与抛物 柱面轴平行的平行面方向图由线馈源设计来控制，反射面不聚焦而只有反射作用。 水平抛物柱面天线 水平抛物柱面天线往往形成方位面窄( 靠线阵综合) 、垂直面宽( 靠抛物面 聚焦) 的扇形波束。其设计加工比较容易，特别适用于l 波段到米波段的大型远程 警戒和搜索雷达天线。如图l2 为某p 波段远程搜索雷达，图l3 为水平抛物柱面天 线的简图。 周i2 抛物柱而天线蚓i3 n 物丰 ! 面天线简幽 垂卣抛物柱面天线 垂直抛物柱面天线结构简单，加i 容易，适用r 功能较全但性能要求不高的 雷达。它常用于l 波段n s 波段的巾远程监视雷远，如图l4 为美国的a n t p s 6 3 雷 筇一章绪论 ! 达。它在方位面内形成3 0 窄波束，垂直面利用线阵赋形技术形成覆盖4 5 空域的余 割平方波束。图l5 为垂直抛物柱面天线示意图。还可利用垂直抛物柱而设计成三 坐杯监视引导雷达天线。 图l6 n 口径抛物面天线 三、椭圆口径抛物面天线 图i7 圆口径抛物面灭线示意图 旋转抛物而与共轴的圆柱相截可获得圆口径反射面，类似地旋转抛物面与共 轴圆柱面相截，可获得正置椭圆口径抛物面天线。而椭圆梓面的轴线与旋转抛物 面的轴线小共轴相截，则可获得偏置的椭圆口径抛物面灭线。长、短轴差得不多 ( 轴l l 建立反映实际结构的计算模型。 确定结构载荷条件和边界条件。 选择合理的计算软件。 有限元方法求解数学物理问题的典型步骤为： ( 1 ) 连续体的离散化 a ) 单元的网格划分：选择单元类型，把握网格划分的疏密程度，考虑尽可能利 用局部规则形状实现网格自动划分，注意如何将局部划分区域对接为整体区域， 尽可能逼近复杂边界形状。 b ) 离散化原n - 保证数学物理近似性好，要充分理解不同单元类型的数学物理 实质，权衡处理离散化规模与分析计算精度的矛盾。有限元离散化规模可以是一 个零件、一部雷达结构、一辆汽车或一架飞机，代数方程数以万计，要区别工程 精度与数值计算精度的含义，减少设计分析计算费用 ( 2 ) 选择单元插值模式按问题的物理意义，单元区域分为一维、二维和三维 单元，其插值函数相应取一元、二元和三元函数，插值函数类型通常采用多项式， 高次插值单元通常比低次插值单元有更高的精度，但公式推导及编程工作量会增 大很多。 ( 3 ) 用变分法或加权余量法导出单元的守恒方程 泛函通常对应物理系统的能量，变分法对应能量驻值原理，例如最小势能原 理。加权积分通常对应物理系统的功能原理，如虚功原理。按物理原理可导出用 代数方程表达的单元守恒方程。 ( 4 ) 组集所有离散化单元形成整体全域的守恒方程 对整体全域运用变分法或加权余量法，可得到整体守恒方程。实际上是由离 散化还原为连续体的过程，通过单元之间互联结点的变量值协调一致性，用大型 代数方程组模型来近似描述原数学物理问题。 ( 5 ) 给定边界条件求解代数方程组 在指定变量( 位移、受力、温度、热量、电流及电压等) 的边界条件后，求 解线性代数方程组、非线性代数方程组、广义特征值问题、时域逐步积分等问题， 得到变量的结点值。涉及诸多数值计算方法，已有许多方法和源程序可供查用。 第二章有限元方法及电磁分析基础 ( 6 ) 由单元结点值求单元域内的变量值 将已知的结点变量值回代入指定单元的守恒方程，进而可得到需求解的有关 物理量，如象单元的应力、变形能、热流量和磁通量等。有限元方法在分析具有 复杂边界形状、不同介质组合的问题有突出优点，而且通常具有较高的数值求解 精度。在实际工程应用中应注意尽可能采用网络自动划分来减少工作量，计算结 果通常需要经过细分单元检验才可确信，因此计算结果收敛程度尚无更可靠的办 法。i i l 】 2 1 2a n s y s 软件 1 2 q 5 】 目前，国际上有限元分析软件有许多种，著名的有n a s t 蝌、a d i n a 、a n s y s 、 a s k a 、p a t r a n 、r a s n a 等。本课题选择了a n s y s 软件来进行有限元分析。下 面对软件进行简单介绍 1 a n s y s 软件的主要功能模块 从应用角度上来看，有限元分析过程可划分为三个阶段前处理、计算和后 处理，如图2 1 7 所示。a n s y s 有限元分析软件依据有限元分析过程，其功能模块如 图2 1 8 所示。在分析过程中，a n s y s 通常使用三个模块：前处理模块( p r e p 7 ) 、求 解模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t i 和p o s t 2 6 ) 。图2 1 为a n s y s 软件分析 的过程。 图2 1a n s y s 分析的一股过程 2 a p d l 参数化建模 a n s y s 软件提供了两种工作模式，即人机交互方式( g u i 方式) 和命令流输 入方式( b a t c h 方式) 。人机交互方式，只需用鼠标在图形上进行操作即可，容易 掌握。但对于一个复杂的有限元模型，在g u i 方式中就会出现大量的重复操作，这 不仅会占用大量的计算时间，还会生成大量的文件。本课题所用的有限元分析模 型要求能够进行多次的修改和分析。采用人机交互方式显然是很不适用的。使用 命令流输入方式进行有限元分析就成为了必然。 使用命令流输入方式就会用到a n s y s 的参数化语言( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ) ，它的缩写就是a p d l 。a p d l 是一种类似f o r t 凡气n 的解释性语 1 2 大型反射面天线分析与优化 言，提供一般程序语言的功能。利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化 后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批 处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中可以简单地修改其中的参数达到反 复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序列性产品，极大地提高分 析效率，减少分析成本。同时，以a p d l 为基础用户可以开发专用有限元分析程序， 或者编写经常重复使用的功能小程序。 另外，a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有创建了参数化的分析流程才能 对其中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目标。 2 2 1 电磁分析基础 2 2 电磁分析基础及f e k o 简介 1 6 - 1 8 】 天线的性能要由许多电参数来描述，最重要的电参数包括增益、方向系数、 第一副瓣电平、半功率波瓣宽度等等。第一副瓣电平和半功率波瓣宽度可以根据 方向图计算。 1 方向性系数 方向性系数用来表征天线在空间某方向辐射能量的密集程度，它的定义为：在 相同的辐射功率下，天线在空间某点产生的功率角密度与理想无方向性点源天线 在同一点产生的功率角密度的比值。 d ( 刚) = 黑( 2 - 2 ) 其中，p 0 9 ，矽) 表示某方向的功率角密度，k 4 万表示同样多的能量均匀分布 到全方位时的功率角密度。设口径面上的电场复振幅为e 。，工作波长为五，最大辐 射场强出现在1 ：3 径法方向，且模值为厶，则有： e m = 去e 。d s ( 2 - 3 ) a r， 功率角密度可以由场强方向函数来计算： p ( 8 ，矽) = 7 7 r e m f ( o ，矽) 】2 ( 2 - 4 ) 1 3 径辐射总功率为： 如= j l e s l 2d s(2-5) 第二章有限元方法及电磁分析基础 于是，方向系数为： d ( 0 脚= 等唧 j l e s 2d s s 1 3 f 2 ( 臼，) = d f 2 ( 秒，矽)( 2 - 6 ) 如果口径场是等幅分布，那么e 。= 1 ，则有 d ：要7 7 s ( 2 7 ) 在反射面天线理论中，一般所说的方向系数，就是指均匀口径的最大方向系 数。设口径为半径r 。的圆形，则方向系数的分贝值为： d 曲：2 0 1 9 孕( 2 - 8 ) 增益是方向系数和效率的综合指标：以分贝表示的增益为： g 皿：2 0 1 9 孕+ 1 0 1 9 7 7 ( 2 - 9 ) 2 主瓣宽度 当天线的方向图具有多瓣形状时，最大辐射方向所在的波瓣叫做主瓣，其余 的叫做副瓣( 或称旁瓣) 和后瓣。对于平面方向图，在最大数值方向两边取功率 等于最大辐射功率的一半( 或场强为最大值的0 7 0 7 倍) 处的两方向线间的夹角称 为主瓣的波瓣宽度( 简称主瓣宽度) 。显然主瓣宽度越小，说明天线辐射能量越 集中，其定向辐射的性能愈好，也就是天线的方向性越强。 3 届0 瓣电平 副瓣及后瓣一般是不希望的。为了衡量副瓣大小，采用副瓣电平及前后辐射 比。一般把副瓣的最大值与主瓣的最大值之比称为副瓣电平，后瓣最大值与主瓣 最大值之比称为前后辐射比，通常用分贝表示，即： 脱纠0 l g 告观o l g 到 ( 2 1 0 ) 见嗽i 也。l 式中b 一，e 一是指副瓣中最大的一个功率密度最大值或场强最大值。显然，副 瓣电平的高低或者前后辐射比的大小，也在某种意义上说明天线方向性的好坏。 副瓣、后瓣的辐射，无论对于通信还是雷达来说都是有害的，它们不但分散了功 率，而且对接收天线来说，还引入了噪声。因此需要做出许多努力来降低副瓣和 后瓣，甚至要牺牲某些方向性指标来压低副瓣。 1 4 大型反射面天线分析与优化 2 2 2f e k o 简介 f e k o 是德语f e l d b e r e c h n u n gb e ik o r p e mm i tb e l i e b i g e ro b e r f l a c h e ( 任意复杂电磁 场计算) 首字母的缩写。f e k o 是针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析而开发 的专业电磁场分析软件，它基于矩量法( m o m ：m e t h o do f m o m e n t ) ，拥有高效的 多层快速多极子法，并将矩量法与高频分析方法( 物理光学p o ：p h y s i c a lo p t i c s ， 一致性绕射理论u t d ：u n i f 0 1 t nt h e o r yo f d i f f r a c t i o n ) 完美结合，从而非常适合于 分析天线设计中的各类电磁场分析问题：对于电小结构的天线，f e k o 中可以采用 完全的矩量法进行分析；对于具有电小与电大尺寸混合结构的天线，f e k o 中既可 以采用多层快速多极子法，又可以采用混合方法：用矩量法分析电小结构部分， 而用高频方法分析电大结构部分。而且，f e k o 支持天线工程中的各种激励方式， 输出天线的各种电性能参数。 由于f e k o 基于严格的积分方程方法，用户无需对传播空间进行网格划分；且 积分方程基于格林函数构建，用户无需设置吸收边界条件；只要硬件条件许可， 矩量法( m o m ) 可以求解任意复杂结构的电磁问题。对于超电大尺寸的问题，使 用f e k o 的混合方法来进行仿真模拟：对于关键性的部位使用矩量法( m o m ) ，对其 它重要的区域( 一般都是大的平面或者曲面) 使用p o 或者u t d 。另外，对p o 方法， f e k o 使用了棱边修正项和模拟凸表面爬行波的福克电流来提高模拟精度。这样， f e k o 真正实现了m o m 方法和p o u t d 的混合，可以根据不同的电磁问题，对混合方 法进行不同范围的组合，可以根据用户的需要进行快速精确的电磁计算，得到满 意的精度和速度。 2 3 小结 本章分别介绍了有限元和电磁分析基础理论。首先介绍了有限元的基本方法， 然后介绍了有限元通用软件a n s y s ；其次，介绍了电磁分析理论基础和天线的性能 参数，最后介绍了本文使用的电磁分析软件- f e k o 。 第二章地面反射面天线结构一电磁分析及试验验证 1 5 第三章地面反射面天线结构电磁分析及试验验证 引言 作为天线主体之一的天线结构，对保证天线整体的电性能发挥着极其重要的 作用。天线结构作为一种结构，与一般结构具有共同的问题，但也有其特殊性一 一天线结构是为实现天线的电性能服务的，它的设计必须满足电性能的要求。根 据天线效率的要求，反射面天线的表面误差一般不得超过波长的1 3 0 1 6 0 。为了 克服自重变形的难关，s v o nh o m e r 于1 9 6 7 年提出了保型设计的概念，即设计一 种抛物面天线结构，使变形后的反射面仍为一抛物面。因此，研究天线反射面变 形对电性能的影响具有十分重要的意义。 3 1 地面反射面天线结构组成及连接构造 反面天线结构一般由中心体、背架、反射面、副面撑杆及副面等组成。中心 体为板梁焊接而成的带剪切板的旋转对称的单层或双层筒状结构或空间桁架结 构，其上支撑着放射状分布的辐射梁，辐射梁之间由几圈周向分布的环梁和斜撑 杆相连接，辐射梁、环梁、斜撑杆构成支撑反射面的背架。反射面从理论上讲应 为一精确的抛物面，它由连接在背架上弦结点上的一块块小反射面板拼接而成。 从背架上伸出的三或四根撑杆，支撑着抛物面焦点处的副面。整个天线结构呈现 旋转对称性。反面天线结构设计的要求就是使天线结构在各种风载荷和重力载荷 的作用下不破坏，其反射面精度( 即反射面保持理论抛物面的程度) 达到所提出 的指标要求，从而保证天线的工作性能。在此前提下，尽量合理地选择结构形式， 材料规格，使天线结构重量轻，省材料，降低造价。 3 1 1 反射面 反射面天线的核心构件之一，其口面形状、形面精度对天线电气性能及外观 形象等具有重要影响。按结构型是有网状、栅状和板状之分，目前应用最广泛的 是冲孔铝合金板，背部加筋，尤其适用于大型高精度反射面。面板厚度一般取 11 t = 1 5 - 2 m m ，打孔孔径缈= ( 去去) 兄。 j u l o 反射面要“先柔而后刚 ，在成型之前通过打孔、开槽、热处理等使单层面板 获得一定的“柔性，以便充分地贴膜或贴筋，然后固化或连接从而形成具有一定 “刚性 的反射面。这样，面板+ 背筋即能维持曲面本身的形状精度，骨架仅起支 1 6 大型反射面天线分析与优化 撑和定位作用。在反射面的设计中背筋的布局、材料及热处理、型材断面、相 互连接等尤显重要。 天线口径和骨架形式各有不同，但反射面的背筋只有主筋( 辐射筋、纵向筋) 和辅筋( 环向筋、横向筋、边筋) 两种。背筋断面形状常常采用槽形“【】”、“z ” 型或者“r ”型等。一般来说，由于主筋的加工比较方便，而且主筋、附筋所成框 格( 扇形或矩形) 的长宽比越大对面板刚度越有利，所以背筋的布局应以适当增 加主筋、减少附筋为原则。断面高度去6 0 一l o o m m 不等，材料要通过热处理予以 强化。筋材之间、筋材与面板之间多用铆接，铆钉要有适当的硬度，铆接要紧密、 平整、牢靠，必要时辅以胶接。l l - z l 3 1 2 骨架 天线骨架泛指那些位于反射面和转盘台面之间的承力结构，具有承上启下的 功能。对于不同的产品，可能是单一结构也可能是组合结构，它们支撑、定位反 射面，传递外载荷，并带动整个天线做回转扫描。 一般大中型天线的骨架多考虑采用低碳钢、不锈钢等薄壁圆管，方管焊接而 成的空间桁架结构，它风阻小，质量轻，受力合理而且加工工艺比较成熟。由于 某些特定要求，其他材料( 如铝合金、钛合金) 、其他断面、其他形式( 如板梁) 的结构也有应用，尤其是小型天线。 背架连接接口( 包括背架本身、骨架单元之间、骨架与反射面之间、骨架与 转盘台面之间及吊装接口等) 和检测基准( 机械主轴，与主轴垂直的台面) 的合 理设置也至关重要。下列图示分别列主了一些典型的连接构造形式： 图3 1 为板状反射面和反射体骨架的支撑调节结构的构造示意图，形式很多， 根据面板本身刚性的大小采用直接的或间接的支撑调节方式。 第三章地面反射面天线结构电磁分析及试验验证 图3 1 板状反射面和反射体骨架的支撑调节结构 图3 2 为骨架本身和骨架单元之间的连接构造，骨架本身各杆件之间多采用焊 接( 或铆接) ，单元之间多用法兰连接( 或销钉连接) 。 ； 一 馈源支架 需要前置的馈源( 俗称“喇叭) 或者副反射器应尽量轻巧，而且一般都还要 通过调节装置使其处于理想位置并可靠定位，调节项目包括轴向平移、横向平移、 “摇头 等，各个自由度之间最好要彼此独立、互不干扰，以方便现场操作。 馈源支架的结构由中心立柱式、三杆式、四杆式、“人 字形加缆绳式及八杆 支架等多种形式，应用比较广泛的有三杆式和四杆式。中小型天线的馈源支杆多 采用椭圆形或矩形薄壁管件，窄边朝向反射面，杆长可调；大型天线则用矩形组 合截面( 空间桁架) ，同样使窄边朝向反射面。诸支杆轴线与反射面的交点所构成 的平面圆直径的大小，需兼顾电性能和结构要求，适当选定，经验数据约为天线 口径的0 6 2 - 0 7 0 倍。 支撑大梁 馈源偏置的抛物面或变形抛物面天线，往往用支撑大梁替代馈源支架。天线、 馈源( 或馈源组合) 分别安装在支撑大梁的两端并使其保持一定的几何关系，腔 内布置旋转关节等馈电系统，下表面适当部位设置与转盘的接口并考虑天线预仰 角特征预锁定。支撑大梁一般都具有负荷大、尺寸大、形状怪异、接口复杂的特 点常被视为天馈系统集成设计中的一个关键环节。l j - 2 j 天线结构静力分析方程为： 3 2 结构位移场分析基础 k 8 = ，o ) ( 3 - 1 ) 式中，k 为刚度矩阵，万为有限元节点位移列阵，f ( f ) 为节点载荷列阵。 天线结构动力分析方程为： m s + c s + k 6 = ，( f ) ( 3 2 ) 式中，m 为质量矩阵，c 为阻尼矩阵，孑、吾分别为节点的加速度列阵和速度列阵， ，( f ) 为节点载荷列阵。 若方程( 3 2 ) 右端f ( f ) = 0 ，表示天线结构不受外载荷作用，结构处于自由振动 状态，其解反映了结构本身的特性，即结构的固有频率和振型。 对于地面天线与空间天线，天线反射面会由于重力、热效应等作用而产生系 第三章地面反射面天线结构电磁分析及试验验证 1 9 统表面变形。同样，冰荷、风雨雪以及结构设计也会引起地面天线反射面的变形， 其中结构设计包括支撑杆与平板间的裂缝等。这样反射面将不再是一个光滑的曲 面，天线表面精度也将大大降低。然而，天线电性能指标在很大程度上依赖于反 射面表面精度，而表面精度又取决于背架和中心体的刚度、反射面的加工精度， 以及反射面板装配的准确度等。天线表面变形将会明显降低天线电性能，如天线 效率降低、副瓣电平变高、方向性变差等。目前，面天线工作频段愈来愈高，大 型面天线设计、制造与测试费用也很高，因此建立准确的有限元模型，模拟变形 后反射面的情况对于面天线变形后电性能的分析十分必要。弘训 3 3 某3 7 米卡塞格伦天线结构分析 3 3 1 某3 7 米卡塞格伦天线信息及分析条件 本节针对某3 7 m 口径卡塞格伦天线建立了准确的u g 三维模型和精确的有限 元模型，并设计了对天线面板与纵向筋连接处的螺栓施加垂直于反射面的位移试 验，3 7 m 口径卡塞格伦天线就是某研究所的定型产品，它被用于卫星地面站、船 载、车载站等，视工作状况，要求其兼备单收站、收发站两种功能。其设计指标 为： 主面表面精度( r m s ) ：0 4 5 m m 环境特性：温度：- 4 5 - - 6 0 各项尺寸如下： 反射面口径( 米) ：3 7 m 焦径比为：o 3 5 中心体信息 中心体类型单圆筒 中央圆筒直径( h e ) ：0 6 7 5 中央圆筒壁厚( 米) ：0 0 0 6 中央圆筒高度( 米) ：0 4 8 2 中央圆筒材料：钢 背架信息 辐射梁型材信息：截面为t 形长：0 0 4 8 m 宽：0 0 3 0 m 钢材 截面形状为l 型长：0 0 5 0 m 宽o 0 3 0 m 与反射面连接件长度( 米) ：o 1 2 与反射面连接件之间( 米) ：0 0 1 6 辐射梁数目( 个) ：1 6 大型反射面天线分析与优化 反射面信息 反射面形状：修正抛物面由1 2 块面板拼台而成，每块面板旋转角度为3 0 反射面材料信息：铝材料厚度：00 0 2 m 加强筋型材信息：截面：角钢腿宽：0 0 6 3 m 边宽：o0 0 4 m 铝材料 图33 所示为某37 米卡赛格伦天线的实物照片：图3 , 4 为该天线的u g 三维 造型阁片： 围3 3 卡赛格伦天线实物图3 4 卡赛格伦天线三维造型 天线反射面由1 2 块面板组成，面板间由纵向筋通过螺栓连接在一起，面板上 沿由环向筋通过螺栓连接，环向筋由角铝通过螺栓与纵向筋连接。 3 32 有限元模型的建立 37 米卡塞格伦天线结构由中心体、背架、反射面、副面撑杆及副面等组成。 中心体为板粱焊接而成的带剪切板的旋转对称的单层筒状结构，其上支撑着放射 状分布的辐射梁，辐射梁之日j 由周向分布的环粱和斜撑杆相连接辐射粱、环粱、 斜撑杆构成支撑反射面的背架。 该天线反射面是一个修正的抛物面，因此天线的造型采用给定点拟台出母线， 然后由母线旋转3 0 度形成单个面板。在a n s y s 巾采用由设计人员给定1 6 5 1 个设 计点，通过a p d l 中b s p l i n 命令将所有点拟合成一条b e s s e l 曲线，以这条曲线 作为抛物面的母线。图3 5 为a n s y s 拟合后的母线，将这条母线绕z 轴旋转3 0 度 得到单片的修正抛物面面板，图3 6 为a n s y s 中单片修正抛物面面板的造型图。 第漳地面反射面天线结构吨硅分析及试验验证 ! 一 图3 5 母线图3 6 修正抛物面面板 最后在a n s y s 中a g e n 命令，复制生成的单片面板并旋转得到1 2 块面板，组 成整个抛物面模型，图37 和图3 8 为整个抛物面模型： 图3 7 抛物面模型图3 8 抛物面模型 实际天线由中心体、辐射粱、反射面和螺栓四部分组成。 1 中心体建模：中心体有上、下法兰盘，滚筒和加强筋等钣金件拼焊而成。 考虑到板的厚度和零件的外形尺寸较悬殊，把这些件用壳单元米处理， a n s y s 中选取s h e l l 6 3 。 2辐射粱建模：主要由l 型钢组成，考虑截面尺寸和粱的长度，在a n s y s 中选用b e a m l 8 9 单元模拟 3反射面建模：反射面板由2 m m 厚的铝板拉伸而成，它是典型的壳单元， 取s h e l l 6 3 ； 4为了提高反射面的月崾，在其背面布有t 型铝型材加强筋，该加强筋通 过螺栓与反射面板进行连接，它不但承受轴向力，而且还承受弯矩。所 以将其视为粱单元，取b e a m l 8 9 。 5连接反射面与加强筋的螺栓不但承受轴向力而且还承受弯矩，也采用粱 单元进行模拟。 图3 9 为整体天线的有限元模型：表3i 为天线结构对应单元的数量和结构使 用的材料。 大型反射面天线分析与优化 图3 9 天线的有限元模型 表3 1 天线结构 单元 单元类型单元数量 材料 反射面壳单元s h e l l 6 31 4 4 1 7铝板 纵向筋梁单元b e a m l 8 93 2 4 7t 型铝材 环形筋粱单元b e a m l 8 9 2 4 5l 型铝材 辐射梁梁单元b e a n l l 8 94 1 7 6l 型钢 中心圆筒壳单元s h e l l 6 3 1 0 0 5钢板 螺栓粱单元b e a m 41 5 6钢 本设计要对反射面与辐射梁连接的螺栓点旖加位移，使天线面板产生垂直于 反射面的变形，并计算天线的电性能，检验反射面变形对电性能的影响，因此螺 栓有限元模型的正确建立为本设计的关键。 333 设计工况分析及结果 l 重力作用分析 在重力加速度为9 8 时，图3 1 0 为天线仰天姿态的变形云图，图3 1 l 为天 线指平状态下的变形云图： ，、j 叭 ： 。 ： 一 、7 一 i p 图3 i o 仰大姿态的变形云图圈3 l 】指平状态下的变形云图 从图31 0 我们可以得出仰天状态下天线的中心圆筒处基本无变形，可以认为 第三章地面反射面天线结构- 电磁分析及试验验证 是刚性的，从中心到四周变形量逐渐增大，最大变形位置出现在最外沿，最大变 形量为o0 4 5 2 m m ；图31 1 为指平状况的位移变形圈，可以看出天线的最上沿和最 下沿变形量最大，中心圆筒处几乎无变形，最大变形出现在最上沿和晟下沿，最 大变形量为o2 9 8 m m 2设计变形分析 为了分析天线变形对电性能的影响，我们设计了对天线的加强筋与面板连接 螺拴处施加垂直于反射面的位移。图31 2 为旆加位移的螺栓位置，表3 2 为施加 垂直于天线面板的位移载荷螺栓点的坐标位置；表3 3 为螺栓与抛物面法向的夹 角。 图31 2 施加位移的螺栓位置 表3 2 螺栓点的坐标位置 序号 35 坐标 伫4 0 ，1 7 ，37 )0 4 0 ，1 7 ，1 6o )( 4 9 0 ，1 7 ，4 02 ) 砸2 0 1 7 j 2 4 ) ( 7 6 0 ，1 7 ，1 1 26 ) j 序号69f 0 坐标 ( 9 0 ( 0 1 7 , 1 6 05 )( 1 0 4 0 ，】7 ，2 1 62 )( 1 1 8 0 ，1 7 ，2 7 9 4 )【1 3 2 0 ，1 7 ，3 5 02 )0 4 6 0 ，1 7 ，4 2 8 ” 序号 坐标 ( 1 6 0 0 ，1 7 , 5 1 38 )0 7 0 0 ，1 7 ，6 0 5 旬( 】8 4 0 ，1 7 ，6 7 4 9 ) 表3 3 螺拴点与抛物面法向所成角度0 节点3 8 91 3 度数872 0 92 684 394 9 25 445 936 837 l3 f 口) 图313 为对单个面板两侧1 3 个螺栓点施加2 m m 法向位移情况变形云图，图 3 1 4 为相邻两个面扳被抬高2 m m 法向位移的变形云图。我们可以得出，面板的螺 栓点均被抬高，整块面板也发生相对的位移；并且由于背面纵向筋的原因，相邻 的面板也发生明显的变形，但变形量不大。 勘 人掣反射而天线分析，优化 ? 鬈i -一_一-一 位移情况变形云图 图3i 4 相邻面板法向位移情况变形石图 8 节点1 2 块面扳施加15 m m 环向位移载荷为z t l 5 ，中圈5 、 板施加2 r a m 环向位移载荷为z t 2 ，中圈5 、6 、7 、8 节点1 2 图3 1 3 单个面扳法向 设中豳5 、6 、7 、 6 、7 、8 节点1 2 块面 、 一-一一_一 闰3 1 5 z t 2 的变形云图 图3 1 6 z t 3 的变形云图 图3 15 为z t 2 的变形云图，图3 1 6 为z t 3 的变形云图，变形云图基本反应 了我们设想的情况，施加位移处的环向反射面位置变形明显，最内圈和最外圈基 本没有变形，可以咀此为基础，将数据导入f e k o 计算天线的电磁性能，检测天线 反射面变形对电性能的影响情况。 3 4 天线电磁分析 从a n s v s 中导出位移结果，并在f e k o 中计算变形后天线的电性能。设天线的 工作频率为1 25 g ，柱面几径37 ，焦径比为0 3 5 , 划分单儿二角形边长取，喇 叭和副面设计为标准情况，图31 7 为喇叭的设计尺寸： 第三章地面反射面天线结构一电磁分析j 试验验证 2 5 豺 咯 图31 7 喇叭的殴训尺寸 图31 8 是在f e k o 中建立的标准副面和馈源模型，图31 9 为将a n s y s 中修正 反射面模型数据导入f e k o 的主反射面模型： 图3 1 8 标准副面和馈源模型图3 1 9 主反射面模型 圉32 0 是标准指平状况的f e k o 计算的天线电性能归化方向图，天线增益为 5 22 3 d b ，3 d b 波瓣宽度为03 9 0 度，第一副瓣为一1 46 5 d b ，副瓣左右对称。 | 、 i j 。 1 、i ，7 j、 ￥ 国32 0 标准指平状况方向图 我们分别将以上设计的实验模型：z t i5 、z t 2 、z t 3 的a n s y s 分析变形结果导 入f e k o 中，计算变形后天线的电性能，副面和喇叭选择标准状况。图3 2 1 为标准 指平状况天线电性能与z t l 5 、z t 2 、z t 3 变形后天线电性能的归一化方向图的对 ，扣 2 6 大型反射面天线分析与优化 f 一 z t 】5 z t 3 z t 2 摹 标准 鼍叠 ，二慕、 i瞅 i 黼 1 毽 飞谂 。驰 m 。j 簿 且 汐 、 r 粼 1j! e l i j 0l y l 1 图3 2 1 方向图的对比 表3 4 为标准指平状况天线电性能参数与z t l 5 、z t 2 、z t 3 变形后天线电性能参数 的对比： 表3 4 参数的对比 增益( d b ) 3 d b 波宽( 度)左一副瓣电平( d b )右一副瓣电平( d b ) 标准指平5 2 8 4o 3 91 4 6 51 4 6 5 z t l 55 2 7 1o 3 9 91 3 81 7 3 z t 25 2 4 90 4 0 31 3 81 7 1 z t 35 1 9 00 4 0 31 5 41 3 2 从表3 4 中，我们可以得出如下结论：随着给定位移量的增大，天线的增益降 低，主瓣宽度变宽，副瓣升高，副瓣不对称，远区副瓣明显升高，位移量的增大 对于副瓣电平影响最大，对于增益的影响其次，对于波瓣宽度的影响最弱。 3 5 设计工况试验 为了模拟以上变形情况，并实际测试以上设计工况反射面变形对天线的电性 能的影响，我们设计如下试验：针对天线面板与背架用螺栓连接的位置添加垫片 使面板产生相应的位移，垫片添