（机械工程专业论文）无源米波雷达折叠天线的设计与研究.pdf

硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 ab s t r a c t a n t e nna i s an i m pod a n t p art o f radar . iti s ul yusedfo r e ffec t i ve d i re c t i o nal r a d i at io n orre c e i v i nge l e c t r o m a g n e t i c 、 v a v e s . and atth e s a 幻 。 e ti m e ， iti s al s o anene r g ry c o nve rt e r w h i c hconve rt s th e ene r g y i n th e fo rm o f hi ghfreq u e n cyc u rr e n t i n toe ne唱 y o f radi owaves w i t hth e s amefreq uenc ya i l dv i c e versa. t 七 e p e r fo n 刀 a n c e o f th e ante nna d e pen d s o n t h e 般c u a c yofth e aj lt e ru 讼s t n lc t u r e ， w h e r e ast h e fo n n e r di re ct lye f 免 c tson w h e t h e r t h e r a d arc anw o rkn o n n a u y orl 1 o t . h o w e v e r ， und erth e c i rc um fe r e n c e o f c o m p l e x g l o b a l s i t t ia t i o n s ， m e l l l o d s o f t r a c ki n g and d e 1 e ctio n are m o res o p hi s t i c ated t b a n e v e r b e fo re . to the r a d arit s e l f，s e c ur i tyi s a b i g p r o b l e m ， w h i chb e c o m e s s e verer and s e v e re rp as s i ver a d ari s a k i nd o f r a d a r whi c h o ul y rece i ves si g n a l s w i 山 o uts i g n a l t r a 幻 s m i ssio n . t 】 11 s b r i n 即itabo 飞 lt the c apabil i tyo f g o o d stea l t h ， whi chm e ans itisdi ffic ul t for the ene m ) tod e t e t itw ll l l e the r a d a r dst ectsand 仃 a c ksthe ta r g e t s . 刀 l e r e fo r e ， p as s i ver a d ar ， whi c h i s a g r 0 upindi s p e nsabl e p o w e r fu l fo rce in几 at i o nal mod e md e fe n c e ， i s an油p o r t a n t b rancho fr 如ardev e l o p m e n t . t h e artic kin troduces a ki nd ofp as si ver a d 盯w i t hl arge antc nna s t r u c t u r e a i1 d hi gh n l o b i l i ty . i n th e d e m ons t r at i o n ofthe s l ru c 加 r e sc h e m e ， we c a n n o t founda n y o ff-th e-p e g casesfo r re fe re n ce. 5 o we h a v e toe m p i o y a newfo rm o f a n t e n n a s t r u c t u r e r a 山 e r t h 田 l a t ra d 1 ti o nal o ne m aj orj o b s froms e v eral as pects l i s te d bel o ware 1ake i1 i nt o c o nsi d e rati o n in th e p r o ces s o f d e mon s t r at i o n a n d d e s i 助o f the 川 1 1 e nna sc hem e : ino r d e r tom e e t the re quire m e nt s o f ante nna r i g i d i tyands tr e n gt hp e r fo n 1 1 a n c e in sp ee i fi edenv i ro m l l e n t ， m o dal 阴d s l a 石 c fi nite e leme nt胡al y s i s i s n e c e s s ar y tobec a rt i e d o uto n th e a n t e nna i t se l f fo r the p u rpo s e ofe st i m atin g the n at u r a 1 freq u e n c y o f th e a n t e i1 d a soastop r e v e ntth eo c c u rr e n c eo f w i nd o s c i 1 l at i on a n dre s o nan c eo 初ng toth es e rv o drivi ngp art w i tht h e ante nna asweu . a n t e nna st ruct u r e te stinto dnelisa v e ryi m port ant work ， w ll l c h nee dsto悦i m pl e m entedbefo refi ni teel emellt anal ysissoastote sti tsw i i1 d 几 以 。 r to g c t h e r w i t h 嫩ndto r q ， e 云 叹 t o r d 叭ng0 pera t io n an d o b t a i n the i n i 6 ale x t e r n a 1 1 0 a d ， f o l d i ng aj 1 dunfo l d i n gope rati o nan dauto n 1 at i c五 场 tl o c ki n go fl arger a d ax are i m p 1 e m e n t e d i n o r d e r tom eet the re q ul re ments o f r ad armobi l i ty.h o wtore al i z e fo l d ing 田 l dunfo l d i ng ope r ation ofthe r a d ar即 te nna i s a k eytechni q u e indss i 郎i n g a 力 t e n n a s t ru c t u red u e toth e re s 示c ti o n o f d i m e n s i o nso f l li1 1b 1 d i n g mec h anis mi n t h e sp a c e . f i rst， m ec h a n i s mdes i gni s i n 1 p 1 e m e nt e d acc o rd i n g tothe m ot i o n t r a c k ， a n d th e n ， a n a l y s i s and c o m p l l 1a t 1 o ni s carn ed o uton the m e c h a n i sm i1 se l f声 刀 o ther keyte c hni q ue i na n t e n n a s t ru c l ur e des i gni s lo c k i 雌the w o rkin g s t at e o f th e ante una a ft e r it 11 a s beenunfo l d e d . t h e 如di t i onall o c k i n g te c 俪q ues aren ， t sui tabl e for r a d 缸ofh i ghm o b i l i ty.howev e r ， w h e n the ne wl o c ki n g m e c h has mi s a p p l i e d ， iti s n e c e s s ary toc 二址 cyout s u ffi c i e ntana l y s i s and s i m u l at i o n c o mpu l a t i o n onth e 详rforman c e o f r e ac h i ngthe 即s i t i o n an d l o c k i n g ， a utom a t l c unlo c k i 雌al o n g 诚thth e re l i abi l i tyo f re al i z a t l ono f th e ac t i on b e s i d e s re fl e c t o r s t r u c t u r e o f the an 1 e n n ai ts e l f，aux i l i aiy m e c h ani c al叫u 1 p m e nt ， el evat i ng to wer o f hi g headandsmal 1 bott o mins h a peand hi gpedestal w ithi nteg r a t e d 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 de s i gn， w h l c h are al l r e l i abl e aux i l i 娜 引 山 以 u r e s fo r non 1 1 a 1 ope ratlono f the a n 1 e nna i n com p l exenv ir o 刊 m e ll t ， are nee ded . 【 k e y wordsl 助t e 茁 味w i n d 俪1 0 w ln d t o 闪 uefa c t o r， fi ni tee l e m e ntana ly s i s ， s i m ul at i o n a n a ly s i s 声明 木学位 论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学 位论文中，除 了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。与我 一 同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论 文 中作 了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 争 沁 刁 年 月 乞日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论 文的电子和纸质文档，可以借阅 或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容，可以向有关部门 或机构送交并 授 权其保存、借阅或上网公布木学位论文的全部或部分内 容。对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研 、名 : 解 刃年 知夕 扣 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 1 绪论 1 . 1无源雷达的简介 近年发生的高科技局部战争再次证明， 无源探测和定位系统是现代防空系统、 机 载对地、 对舰攻击以及对付隐身目 标的远程预警系统的重要组成部分; 是电子情报侦 查( e l int ) 和实时电子支援措施的主要内 容; 是引导电 子攻击和硬武器攻击的又一 重要手段闭 。 无源探测和定位的实施途径分为利用外辐射源信号在目 标的反射来定位和利用 目 标自 身 辐射源信号进行定位川 。 本文论述的无 源雷达是利用外辐射源信号一般指利 用电视台 和广播电台的f m和a m信号或其它辐射信号在目 标上的反射或散射信号来 对目 标实施定位。 1 .2本文的 研究背景川 在雷达发展的最初阶段，是以收发分开方式进行雷达原理实验的，并在20 世纪 3 0 年代得到广泛应用，只是到了1936 年继天线收发开关的发明和 1940 年高功率脉 冲磁控管的发明之后， 人们才集中精力研制收发合一的单基地雷达。 而随着现代武器 系统的发展， 雷达对抗提高到了 一个更重要的地位， 单基地雷达受到电 子干扰， 反辐 射导弹、 超低空突防和隐身武器的 威胁日 益严重， 而双 多 ) 基地雷达在抗“ 四大威胁” 方面的优势使这一古老的雷达体制又焕发了青春。基于外辐射源的无源雷达则是双 ( 多 ) 基地雷达的一种特殊形式。 基于 外 辐射源的无 源雷 达系 统的主要 优点是: ( 1) 由 于外辐射 源大多为 空中已 存 在的民 用信号， 分布普遍， 故敌方难以分析判断和加以 摧毁， 从而提高了雷达的生存 能力， 减小了 被干扰的可能性; (2 ) 由于大多数 ( 广播、 电视及通信) 外辐射源的信号频 率较低， 用它来进行目 标探测还有利于发现隐身飞 机和巡航导弹之类的目 标; ( 3) 工 作于低频段， 受天气变化影响小， 工作可靠， 且系统兼容性好; ( 4) 借用外辐射源， 自 身用不发射能量， 从而省去了 大量经费; ( 5) 由 于利用外辐射源， 对于完全保持无 线电寂静的目 标也能进行探测。 鉴于上述优点， 引起了各国对此种无源雷达的普遍重 视和深入研究。 巫竺逐石一一一一一一一一一无 源 米 波 雷 达 折 替 天 线 的 设 计 与 研 究 1 2 . 1 国外利用外辐射源无源雷达的现状月 利用广播、 电视和通信台发射的信号作为外辐射源的无源探测系统研究有: 法国 泰勒斯公司利用分布于巴 黎艾菲尔铁塔、 布尔歇市和奥谢尔市的三个电视发射台的广 播信号作为外辐射源的“ 隐秘” 多基地无源探测雷达， 法国国家航空研究局利用巴黎 的托尔一艾菲尔电视台广播信号作为外辐射源的非合作照射多基地无源雷达试验系 统: 德国西门子公司利用民用移动通信系统多个分米波发射站的发射信号作为外辐射 源的无源探测雷达试验系统; 英国防御研究局利用法国里昂的电视音频调幅载波广播 信号作为外辐射源的无源探测雷达试验系统， 英国伦敦大学自1 9 86年起利用伦敦克 里斯特尔官电视台的信号作为外辐射源的无源探测雷达; 澳大利亚国防科技部利用达 尔文市市郊的调频广播电台的发射信号作为外辐射源的无源探测雷达; 美国防高级研 究计划局主持， 伊利诺斯大学和洛克希德 马丁公司研究的无源探测、 跟踪、 成像及 识别雷达系统， 美华盛顿大学利用西雅图市kjs w商业调频广播音乐台的 广播信号作 为外辐射源的马纳斯塔什山脊军民两用无源探测系统， 美洛克希德。 马丁公司利用超 短波调频广播电台或电视台的广播信号作为外辐射源的“ 沉默哨兵” 多基地无源探测 雷达。其中尤以美国的 “ 沉默哨兵”最为成熟。 “ 沉默哨兵”依赖于商用调频广播和 电 视台信号 (5 任 一 8 00m h z) 的连续波载频， 测量直接信号和目 标反射信号之间的到达 时间差， 采用无源相干定位技术进行目 标识别。 据报道， 经改进后， 在同时有3 个以 上的 广播发射信号作为外辐射源的条件下， 该雷达对空中目 标的探测和蹬踪距离达到 2 2 0 km ，方位覆盖为6 0 一3 60度， 仰角覆盖范围50度，同时发现和跟踪目 标的容量 为2 0 0 批， 每秒钟内可进行8 次实时数据更新。目前， 该公司创建了一个记录着世界 上5 5 0 0 0 个商用调频广播与电 视站的 位置与 频率的 大型数据库， 从而使系统可以 利用 这些发射台发射的调频广播和电视信号定位和跟踪目 标. 1 . 2. 2国内利用外辐射源无源雷达的现状 7 0年代末，十四所进行了相关课题的研究工作，利用调幅广播信号探测目 标。 在“ 八 五” 期间，x 4 所开展了“ 双/ 多基地课题及其实验系统” 的研究， 天线系统 为8 通道八木天线阵。 联期间，国内多家单位开展了 基于外辐射源探测与跟踪雷达的研究，主要有义 8 所、 x电、 x 4 所的外辐射源探测试验系统目 前可实时探测3 4 0 公里以远的民航飞机， 巫 哩主 一 一 一 叫 一一.型 迷 些 彭 丝 通 主 燮全 鱼 兰竺 色 精度达1 度。 该系统能够满足系统原理性试验， 但不具备相控阵功能。 现根据军方要 求进行更高战术指标要求进行该体制雷达的 研制， 本人负责该雷达的结构部分， 对雷 达的整体结构以及其中的关键技术进行论证: 该系统设备集中在2 辆车上， 具有较好 的机动能力， 可以 进行公路运输、 铁路运输、 海运。 并具有自 动调平、自 动升降、自 动校北及自 动定位功能，能适应机动部署， 具有在高原、 平原、沙漠、 沿海等多地区 担负作战任务的能力。 1 .3本文的研究意义 该雷达系统侦察方式隐蔽，自身不发射电磁波， 被发现概率低， 具有很强的系统 生存能力， 在未来的信息化战争中完成战役、 战术电子对抗情报侦察， 主要担任侦察、 定位跟踪空中运动目标， 绘制目 标的运动航迹， 完成防空作战中目 标的引导任务， 可 实时探测和跟踪多批目 标，是以往部署雷达的补充。 以 往大口 径天线的雷达， 对机动性没有严格的要求。 现代化的战争对雷达的机动 性提出了很高的要求，对于天线巨大的无源雷达也不例外。 本课题就大型天线如何适应雷达的高机动性作了研究， 为今后其它类似天线的雷 达设计提供思路。 1 .4本课题的研究内容 天线结构对保证天线的电 性能发挥有着及其重要作用， 天线应该能满足电 性能的 各项指标，这些指标是根据雷达的战术和技术指标要求决定的，在方案论证阶段时， 对于天线的形式， 外形尺寸基本已 确定。 结构上在保证天线有高的增益、 一定的方向 图和低的旁瓣电 平同时也要保证天线的机械性能， 天线在各种载荷作用下， 应具有足 够的强度， 保证不发生破坏。 在工作时， 在各种载荷作用下结构的变形要限制在允许 的范围内， 天线结构的固 有频率尽可能要高， 防 止发生结构谐振3 川 。 雷达工作地点 不是固定的而是经常变动的， 天线要经常拆卸进行运输。 目前雷达发展趋势之一就是 高 机动 性， 即 要 求雷 达能 在很 短的 时间内 架设完毕 进 入作战 状 态网。 不言 而喻， 雷 达 的天线越大，实现高机动性就越困难。 本论文就米波无源雷达的大口 径天线的设计从以 下几个方面进行论述: 1) 总体方案设计; 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 2) 天线的结构设 计， 包括天线主骨架的 结构形式、 折叠机构的设计、 锁紧机构及安 装设计，并 对天线各部分进行刚强 度的 分析计算 ( 主要为有限元分析): 3) 天线及整车的风洞试验，及稳定性校核。 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 2 天线的总体设计 2 . 1天线的工作原理2 天线的主要任务就是有效地辐射或接收无线电波。同时天线还是一个能量转换 器， 也就是说发射天线将来自 发射机的高频电流 ( 或导波) 能量转变为同频率的无线 电 波能量， 向空间辐射。 而接收天线则将来自空间的无线电波能量还原成高频电流( 或 导流)能量， 送入接收机。根据天线的互易定理， 一个天线既可以用作接收天线， 也 可以用作发射，不论是发射还是接收，天线的特征参数是不变。 雷达中常用同一副天线交替担负发射天线和接收天线的工作， 用天线转换开关来 完成转换作用。 天线的重要特征参数为: 天线的方向 性、 增益、 阻抗、 极化等， 天线的方向性就 是天线所产生的辐射场强度在离天线等距离的 空间各点， 随着方向 的不同而改 变， 或 天线对于从不同方向传来的等强度的无线电波吸收能量不同。 主瓣宽度即主瓣最大值 两边半功率通量密度方向间的夹角。 旁瓣电平是以主瓣最大值为基准的， 它是最大旁 瓣的极大值与主瓣最大值之比。 效率即辐射功率与输入到天线总功率之比。 方向 性系 数是说明天线在空间集中辐射的能力。 增益即在输入功率相等的条件下， 天线在最大 辐射方向上空间某一点的功率通量密度和立项的无方向性天线在同一距离处的功率 通量密度之比。 极化是指空间某点电 场强度矢量的方向随时间的变化规律， 通常用电 场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来表示。阻抗即输入电压和输入电 流的比值。 通频带即上述的天线参数符合规定的技术要求时的工作频率范围。 2 . 2任务需求 用户对该项目 的研制提出了如下要求: . 抗风能力:风速为25耐5 ，正常工作; 风速为32，6 耐5 ，系统不撤收可生存: . 机动性要求:10分钟/8人。 从以上指标，对雷达的要求是很高的，特别是结构的机动性要求。 硕士论 文 无源米波雷达折叠天线的设计与研究 2. 3 天线类型的选择 天线的结构类型有:阵子天线、同相水平天线、八木引向天线、波导裂缝天线、 喇叭天线、抛物面天线等等川 。 阵子天线就是由2 根导体 组成的天线。 通常由 金属园棒 或空 心圆 管制成， 每根长， 人 / 4 ， 总长为人/2。 它是由四分之一波长的开路线展开成一直线而形成， 这时在阵子 中 也产生了驻波， 电流和电压沿阵 子的 分布与四分 之一 波长的 开路线一样， 终端是电 流波节和电压波腹，中点 是电 流波腹波节 和电 压波腹波节。 同相水平天线，是一个天线阵，由许多个形状、构造、 性能等完全相同的半波阵 子排列组成。每个阵子都是水平放置的，这些阵子排在同一平面内，成 n 行， m列。 每一行中，阵子的得轴线应在一条直线上， 每一列的阵子互相平行。 两相邻行间的距 离 严格保持入 /2. 各阵子都是同 相 馈电的。 为了 使发射集中在一 个方向 上， 还附加反 射网。网状反 射器与阵 子的间距为人 /4， 保证天线的能量只向前 辐射。 八木引向天线， 又称波道天线， 它由一个有源阵子、一个反射阵子和若干个引向 阵子所组成。 除主阵子由电源激励外， 反射阵子和引向阵子都是无源阵子。所有阵子 都排列 在同 一平面内， 且互相平行， 他们的中点都固定在一 根金属杆子上。 有源阵 子 是中心 馈电的， 故不能与金属杆子直接 接触， 必须与金属杆子绝缘， 并与馈线连 接。 无源阵子是由主阵子产生的电场在其上感应电流而产生电磁波辐射。 波导裂缝天线， 就是通过在波导上开一个或若干个裂缝，以辐射或接收电磁波的 天线.它可单独用作天线，也可用作别的天线的辐射器。 喇叭天线， 把激 励了的波导开口， 它就 成了 一个简单的 天线。 但因为截面尺 寸太 小， 方向 性太弱， 而且这种波导开口 使传播条件突变，引 起很强的反射。 为了避 免末 端反 射， 将波导逐渐的张开就 成了 喇叭天线， 它还常用作反 射面天线的辐射器。 抛物面天线， 由辐射器和抛物面反射体两部分组成， 反射器由弱方向性天线构成， 如半 波阵子、 喇叭天线等。 抛物面反射 体的 形式很多， 有旋转抛物面， 抛物柱面， 切 割抛物面等。 由 于同 相水平天 线和八木引向 天线的结构特点，比较 适用于米波和分米波的通 讯、 雷达、 电 视、 及其它无 线电 技术设备中。 雷达的工作频率 应为米波范畴， 所以该 雷达应首选这两种天线。 硕士论 文 无源米波雷达折叠天线的设计与研究 从结构上来讲， 八木引向 天线的“ 分叉” 多， 结构刚 性差， 与之相比， 同 相水平 天线的 整体性和刚性都很好，而 且利于天线 骨架的 展收， 在机动性更具 优势。 综合考虑雷达的工作频率 和高机动性要求， 选择了同相阵列天线。 2 .4 天线的初步设计 根据总的研制要求，分解的天线系统的战术技术指标，方案设计如下: 雷达主天线为 12 通道阵列天线。每个通道由上下 2 个半波天线单元合成，天线 阵面方 位上可做0 3 60。 机械转动. 天线阵 面中 心架高 5 米， 阵面反射网 长 21. 6m ， 高4 . s m ， 如图2 . 4 . 1 。阵面水 平方向有 12 个单元振子， 单元间距dx= 18 0c m; 垂直方向 有 2个振子，单 元间 距 咖二 2 4 0cm。 单元振子离反射网 高 度为h = 1 巧cm。 脚恤璐圈 璐翻 国 匆恤翻睡.皿 园眺咖口.绷 .皿踢翅圈田蕊 翻圈睡. .翻 .曰日枷 ; 曰 口.画.恤翻.圈宜 动翻圈 恤日巾. 脚. .澳 月口翻 尸一 夕 崛.翔呻翻如贬 叫翻娜 娜翅 翻睡画恤 睡. 翻国睡娜圈睡 四. .翻侣 峨圈翻 工作车厢 图 2 . 4 . 1主天线阵面示意图 垂直 方向每 个通道 2 个振子通过电 长度相等的连 接电 缆到功分 器合成一路，然 后送阵面 信号 控制箱。阵 面信号 控制 箱位于阵 面中间部 位， 有 12组阵 面校准选择开 关、 低噪 放和多 选一开关。阵 面信号 控制箱通过馈线电 缆经支撑塔与工作车厢连接。 天线单 元为半波振子形式， 如图2 4 . 2 所示， 振子用直径为40 咖 的钢管制作， 长度为 1 6 0 0 mm。反射网尺寸为 2 1 6 0 0 mmx2 4 0 0 咖，栅网间距为 2 0 0 o0 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 i ! l !月 ! l! 1 . . . . . 跳 圈 肠 皿 卜 . . . . ! l li !i l l l 反射网 栅网 介质护套 令 馈 电 头 图2 . 4 . 2天线单元 阻 抗匹 配器如图 2 . 4 . 2所示，同 轴线外壳用铝管 制作，同 轴内 芯用硬质铜材制 作。 天 线单 元外观结构公差不大于1 0 mm:主天 线阵 天线单元位置公 差不大 于50咖; 阵面不平 度小于士1 8 c m 。总重不大于 1 . st。 从以上设 计， 可以 看出 天线的外形尺寸巨大， 结构的实现难度比 较大。 2. 5天线的机动性要求 随着雷达的逐步发展，对雷达的机动性能要 求越来越高， 一般雷达 机动性设计 要求 ， ， 如表2 . 5 . 1 。 表2 . 5 . 1雷达机动性包 含内 容及设 计要求 内容设 计 要 求 运 输 转 移 能 力 运输单元数量合 理划分运输单元， 控制 ( 减少) 运输单元数量。 装车体制优选单车，其次采用半挂车，一般不采用全挂车。 通过性能 运 输单 元总成或分解后符 合g j b 2 9 48一 97要求。 越野能力满 足g j b 1 3 80一 92 军 用越野汽车机动性要求 运输方式兼容性兼容陆 ( 公路、铁路) 、海、空多种运输方式。 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设 计与 研究 架 撤 使 用 条 件 时 间 阵地适应能力尽量降低对阵地土质、场地大小、平整度等要求。 环境条件要求尽量不受季节、 天气、 昼夜的影响， 可全天候实施。 架/ 撤人员素质、 数 量 降低对人员素质的要求，减少架/ 撤人员数量。 架/ 撤所需设备工 具 提高自 动化程度，不使用大型、专用工具，力求徒 手操作。 架/ 撤时间 高机动雷达架/ 撤小于 1 0 而n ，机动式雷达架/ 撤小于 3 0mi n 。 根据以上分析，可以 通过以 下途径实现该雷达的高机动性: 1) 从 减少 运输单元数 量上考虑， 实 现天 线的 整体 运输， 考 虑到天 线的 外 形 尺寸 巨大，就必须要折叠; 2) 从装车体制上考虑， 选择单车; 3) 从架 / 撤对人员 和工 具的 依赖上考 虑， 均需 要提高雷 达 天线的自 动化 程 度， 以 减少人工和设备的操作。 2. 6折叠天线的组成及关键技术 这里所研究的天线是指天线座以上的部分， 包括塔架、 阵面、 各种折叠机构、自 动锁紧机构等。 该雷达高机动性的关键技术有: 实现天线的单车运输、 天线折叠展开的自 动化等 等。 本论文是围绕以上关键技术问 题进行展开的， 具体为: 天线的折叠及折叠机构设 计、 天线刚强度分析、 塔架设计、 锁紧设计等， 另外还要进行风洞试验进行风力参数 的 测试和稳定 性分析计算等。 硕十论文 无源米波雷达折叠天线的设计与研究 3 折叠天线的结构设计 3 . 1 天线折叠结构设计 要实现天线的单车运输就要对天线阵面进行折叠处理， 必然要对天线进行分块处 理。 在设计中， 将天线在水平方向上把天线分为4 块， 然后在上下方向上把天线分成 3 部分:反射面和阵子被固定在骨架上;主块上下为天线反射网，通过 “ 饺链和折叠 机构”与主块相连，天线分块示意见图3 ， 1 . 1 一3 . 1 . 3 。 十 上反射网卜 反射网巨 反射 网 反射 网 下反射网下反射网卜 反射网 f反射网 天线左边块天线左， 1 ， 块人线右中块 天线右边块 图3 . 1 . 1天线分块示意图 图 3 . 1 . 2 夭线外形及分块图 硕士论文无源米波雷达折叠天线的设 计与 研究 图3 . 1 . 3天线运输状态折叠示意图 根据以 上对天线进行分块折叠后， 形成以 下天线车结构布局方案， 见图31 . 4 图3 . 1 . 6 。 天线塔架 图31 . 4天线车工作状态( 侧视图) 硕十论文 无源米波雷达折叠天线的设 计与 研究 天线塔架 图3 . 1 . 5天线车工作状态( 俯视图) 天线塔架 图3 . 1 . 6天线车运输状态 天线分块后， 电讯性能要求反 射网尽量保持电 连续， 允许分块反射网 拼装后两块 硕十论文无源米波雷达折叠犬线的设计与研究 间 距不大于10 nun 。 其中上下反射网能保证拼装后满足电 讯要求， 中间主块反射网需 要利用电 缆将分块的反射网实 现电 连续。 每个天线主块由 骨架、 反射面和6 个阵子组成， 骨架采用空间行架结构， 其中的 梁采用不同截面的铝管拼焊而成， 铝管截面尺寸有: 等。 在受力较大的转动支耳处通 过添加衬板使局部结构加强。 阵子用直径为80m m的铝管制作， 反射网采用直径s lnln 的小铝管焊在骨架上。 天线有刚强度要求同时也要满足重量， 在选材料时如果要天线整体的刚度好， 骨 架最好能选用刚管焊接而成， 但此时重量大大超出要求范围; 因此采用铝管， 且截面 尺寸不能选很大。在后面进行有限元分析中进行论述。 对各部分的 重量估算如下: 天线骨架 ( 包 括其上面的 反 射条) 重约 14 00 kg， 8 片反 射网( 连同 框架) 重约16 0 k g ， 2 4 个单元阵 子重约1 加 kg， 总 重约16 8 o kg小于 指标要求。 3 . 2 天线展开和折叠机构的设计 天线需要安装在一辆载车上， 工作时展开， 运输时需要折叠满足公路运输界限要 求 ( 公路运输界限要求:长x宽x高毛1 2 mx 2 . s mx 4 m) 。并且展开和撤收时间不大 于10分钟8 人。 因此对于此种大型天线如何实现天线的 快速展开折叠、 快速自 动锁定、 自 动解锁 是天线结构设计的难点和重点。 天线的分块见前面所叙。天线的展开折叠包括:天线左中块、右中块 9 00 展开 和折叠， 天线左边块， 右边块18 扩 展开 和折叠: 上下反射网 的90。和1 8 00 展开和 折叠。 2 4 个天线阵子90。展开和折叠。 3 :21 天线中块的展开折叠机构的设计 1) 机构构成分析 为了使天线左中块、 右中块展开不相互干涉， 则两块要分别进行展开， 其中一块 展开到位后再展开另一块。 实际该动作仅实 现90“ 折叠。 实 现途径很多如摆动油缸、 或直接用油缸推， 或用电 动丝杆， 也可用齿轮齿条实现。 但由于一方面天线结构尺寸 大，而要保证运输折叠收藏后宽度不能超 2. 5 m，因此要采用占空间小又能实现动作 硕十论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 l z 二1 0 4 5 mm 士 z lnm ， 行程l 二 4 10土 z mln ， 系统额定压力设定为 12 m p a ， 初选油缸 缸径小 50n l 幻 n ，杆径中 32n l l l l ，外径小 68n l n l 。则: 单 个 油 缸 最 小 拉 力 为 : f 一 尸 、 5 _ 12 x 二 丛 丝 生些 4x9 名 二 1 4 1 9 kg 9 5 0 kg 所需流量:q二 4 x a l j 汀 x 5 0 2 x 4 1 0 x l 0 币x 6 0 =件x一=2. l j l / 】 1 1 】 们 4x9 0 3. 2. 3 上下反射网展开和折叠机构的设计 反射网共8 块，上下各4 块，每块外形5 4 00火 9 5 0 x30。其中上反射网中外侧2 块反射网和下反射网中外侧2 块反射网进行1 80。展开， 利用油缸驱动四连杆机构实 现;上反射网中内侧2 块和下反射网中内 侧2 块反射网进行90。展开，该动作通过 油缸来实现。 对于上反射网中内侧2 块和下反射网中内侧2 块反射网利用油缸直接进行9 扩 折叠展开，该动作实现简单， 且受力不大。 经计算， 单个油缸极限载荷4 5 k g ，最短安 装距l ， =416 mln土2 咖，最长安装距l z 二6 6inull士z lnln，行程l 二2 45士z nun，系统额定压 力设定为1 2 m p a ，初选油缸缸径小 40恤，杆径小 20m，外径小 50nun。则: 单个油缸最小拉力为:f= p x s二 12x 汀 x ( 4 0 ， 一 2 0 2 ) 4x9 . 8 1 1 5 3 kg 4 5 kg 所需流量:县 = _ 万 x ( 4 0 ， 一 2 0 ， ) x 2 4 5 x l 0 功 ” 6 0 _ 4x2 0 0 石91/ mi n 对于反射网中外侧2 块反射网和下反射网中外侧2 块反射网由于考虑运输时不超 高，需要进行 180 。展开，采用油缸驱动四连杆机构实现， 机构展开和收藏见图 32 . 3 . 1 ，机构的运动分析简图见图 323 . 2 。根据分析，该机构为双摇杆机构，最 小的传动角为4 5 。，满足许用要求。 经计算油缸采用双活塞杆油缸， 单个油缸极限载荷10 0 k g ， 最短安装距li二3 30二 士2 咖， 最长安装距 lz=4 45nun士2 。， 行程l 二1 巧士z llun， 系统额定压力设定为 12m p a， 初选油缸缸径小 40咖，杆径小 巧 nun， 外径中 50mm。则: 单 个 油 缸 最 ， 、 拉 力 为 : f 一 p 、 5 _ 1 2 、 二 卫 三 旦 兰 互 兰 4x9 一 8 二 1 3 2 2 kg 1 0 0 kg 硕士论文 入研究。 无源米波雷达折叠天线的设计与研究 3 3 . 1 锁紧机构的结构组成 锁紧机构主要由基体、锁钩、卡钩、弹簧、 各关节转动销轴、被锁紧体等组成 其结构组成见图3 . 3 . 1 . 1 。 根据锁紧机构对不同锁紧对象进行锁紧时所受载大小的不同， 设计出两种规格的 锁紧机构，其中3t锁紧机构用于对主天线边块和塔架之间工作状态进行锁紧，h锁 紧机构则用于主中块和主边块天线展开工作状态，以 及折叠状态运输状态进行锁紧。 锁紧状态解锁状态 图3 . 3 . 1 . 1锁紧机构结构组成图 3 3 .2 锁紧工作原理 锁紧机构的锁紧过程是指从被锁紧体接触锁钩开始至被锁紧体完全被锁紧机构 锁紧的过程，即锁紧机构由图3 3 . 1 . 1中的解锁状态达到锁紧状态。该过程由以下三 个阶段组成:a) 首先，被锁紧体抵触锁钩的凹槽内 壁，对锁钩产生一个绕销轴2 的 顺时针扭矩t l ; b) 当扭矩t l 大于由 扭簧产生的绕销轴2 的逆时针扭矩tz 时， 锁钩 便开 始克服tz， 绕销轴2 顺时针转动， 此时卡钩在油缸内压簧恢复力的 作用下 使其 始终保持绕销轴4 顺时针转动的趋势， 从而保证在锁钩转动的过程中卡钩过渡弧面始 终与锁钩上销3 的柱面保持接触;c) 当锁钩上的销3 转动到卡钩上的凹槽部位时， 卡构与 锁钩之间出 现瞬间 无限 位状态， 卡钩在压簧恢复力的作用下迅速转动， 使卡钩 的凹槽锁住销3 的柱面， 此时被锁紧体也刚好运动到位， 其上的销1 柱面刚好被锁钩 的凹槽锁住，即 锁紧机构达到图 3 3 . 1 1中的锁紧状态，与此同时与卡钩联接的滑杆 也刚好触发触点2 ，发出卡钩锁紧到位信号，从而完成锁紧动作。 硕士论文 无源米波雷达折叠天线的设计与研究 3. 3. 3 解锁工作原理 锁紧机构的解锁过程是锁紧过程的逆过程， 指卡钩在油缸推力作用下解锁锁钩至 被锁紧体与 锁紧机构完全脱离的 过程， 即 锁紧机构由图3. 3 . 1 1 中的 锁紧状态 (a) 达 到解锁状态 (b) 。该过程亦由三个阶段组成:a) 首先，解锁油缸在油压推力的作用 下克服压簧的恢复力， 使卡钩绕销轴4 逆时针转动， 至卡钩凹槽与锁钩上的销3 完全 脱离， 与此同 时滑杆触发触点1 ， 发出 卡钩解锁到 位信号， 可以 执行后续解锁动作; b ) 控制单元得到卡钩解锁到位信号后驱动被锁紧体脱离锁钩， 而锁钩在扭簧恢复力 t z 和被锁紧体对其产生的 逆时针扭矩的作用下，绕销轴2 逆时针转动，被锁紧体完 全与锁钩脱离后，锁钩在单独扭簧恢复力tz 的作用下继续绕销轴2 逆时针转动， 直 至锁钩上的止动凸肩被基体上的限位销挡住为止;c) 解锁油缸泻油释放油压，卡钩 在压簧恢复力的作用下使其过渡弧面保持与锁钩上销3 的柱面保持接触， 为下一次锁 紧准备。至此解锁动作完成。 3. 3 4 锁紧机构的可靠性仿真分析 对锁紧机构可靠性的仿真技术研究的主要目 的是从动力学角度借助计算机虚拟 环境模拟锁紧机构在理想工作环境下的运动与受力状态特性。 本方案借助p r o /e软件 中的 “ 机构”模块来模拟锁紧机构的锁紧与解锁过程。 a) 锁紧状态 按前述锁紧工作原理进行仿真.图 3 .3 :41表示锁紧机构锁紧到位状态下，锁钩 受被锁紧体拉力作用时， 卡钩与锁钩接触副上的受力方向。由图3 3 ，4 1 中的受力方 向可以 看出 锁钩对卡钩的作用力总是通过卡钩的转动中心， 所以锁钩对卡钩不会产生 扭转作用， 而此时由于锁紧机构油缸内部压缩弹簧的恢复力作用， 使卡钩始终保持一 种绕其转轴逆时针转动的 趋势， 从而牢牢锁住锁钩， 达到机构可靠自 锁的目 的。 该 机 构的这种自 锁特性由机构自 身的结构特点决定。 硕十论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 转动铰支 f w天线主块锁紧机构 丁 升降塔架 图3 . 41 . 1主块和塔架锁紧机构 每单边天线主块和升降塔采用2 个相同的锁紧机构。 即 f wli =2t l z 1 作 状 态 单面 天 线 风 载荷: f 例 = x c 、 x q x 护1 1 2 s k g ， l l = 4 s m ， l z = l m 锁紧力:t=二 匕 竺 竺 2 二 2 5 3 8 雌 设计天线主块工作状态锁紧机构时，以计算得到的锁紧力为依据。雷达工作时， 两 个 锁 紧 机 构同 时 作 用， 考 虑系 统的 安 全 性， 所以 单 个 锁紧 机 构的 锁 紧 力 取f = 3 0 0 0 kg 进行强度设计。 3 . 4.2 边块工作状态锁紧的设计 主块和塔架锁定后， 天线的主块和边块进行展开和锁紧， 见图3 点2 . 1 。 此时锁紧 机构的锁紧力要比主块和塔架的锁紧力要小， 主要是克服风载， 由于天线的相对迎风 面积小了一半， 同时力矩也减小了， 因 此认为需要的锁紧力也缩小， 每主块和边块之 间采用3 个相同的锁紧机构，因此该处的锁紧力大小计算: f ， l i = 3 t l z 工作状态单面天线风载荷: f 钊 = x c 、 x q x 习2 = 5 64kg， li=23 m ， lz=0石 m 锁紧力:t=互丝 三 3 x0 . 6 二 720 k g ， 考虑一定的 设 计余 量， 此处锁紧 力设计 成 承受 锁紧力h 。 硕十论文无源米波雷达折叠天线的设计与研究 甲愁 飞 少 入锁玺机构 转动轴 图34 . 2 . 1主块和边块锁紧机构 3 .43 边块运输状态锁紧的设计 雷达运输状态时需要将雷达折叠收藏到运输界限尺寸范围内。 运输时天线受到的 振动和冲击很大，需要对其进行约束，在天线主块和边块之间采用锁紧力为 it的锁 紧机构， 由于是运输状态受力是垂直方向的对锁紧力要求不高， 主要考虑侧向的振动。 主块和边块运输状态的锁紧机构位于主块的根部， 一边采用两个相同锁紧机构， 形式 参见图3. 4. 3 . 1 。 边块 边块折叠锁紧机构主块 图 3 . 4 . 3 . 1 主 块和边块运输状态锁紧机构设计 硕十论文 无源米波雷达折叠大线的设计与研究 4 风洞试验 天线结构所受的风力一般很难以 理论分析精确求得， 就求助实验， 直接用实物在 大气中 进行测试， 一般由 于条件不大方便， 因 此通常用天线模型在风洞中进行试验z 。 通过对雷达天线面以及天线与载车整体的气动力测试， 提供天线在工作状态所受的风 力、 风力矩大小， 以及天线与载车整体的风力、 风力矩大小。 试验