地面雷达天线罩课程设计说明书

1、地面雷达天线罩课程设计说明书1引言随着现代高科技的发展.雷达大量应用于陆、悔、空三军及民航、气彖等领 域.相应的.雷达天线罩的运用也日益广泛。天线罩是雷达系统的重要组成部分， 被称为雷达系统的“电磁窗口蔦 它的作用是在雷达天线的周围形成一个封闭的 空间，将转动工柞的雷达天线罩于其中，以保护雷达天线系统免受大气坏境的直接 作用c由于天线罩的遮挡,天线系统可不受风、沙r雨、雪、冰密的侵袭，这将 降低夭线驱动装置的没计功率和减少天线转动实師消耗的能源，并且避免了因气 候与环境原因造成的雷达关机。同时天线蚩还可以缓解因气温骤变r太阳辐 射、潮湿、盐雾等对天线系统的影响，因此也大大简化和喊轻了天线系统的

2、日 常维护修理工作，延长路雷达的使用寿命。世界上第一个玻璃钢雷达罩岀现于2 0世纪40年代的美国,至今有6 0多年 的历史c我国是从上世纪60年代开始硏制玻搞询雷达蚩，最大的为直径44米的 地面雷达天线罩，至今仍在使用，已有近4 0多年的历史，在雷达罩设计、生 产、检测方面有了较丰富的经验,但与国外相比，还有一定距离。随着雷达电性能要求的不断提高，雷达罩向大型化发展,对雷达罩的结构设计 提岀更加苛刻的要求。现有地面雷达罩的结构形式有3种类型；构架悬吊柔性膜 鼓风式r构架一壳体式和刚性壳体式，而刚性壳体式较为普遍c构架悬吊柔性膜鼓风式构架悬吊柔性膜鼓风式地面言达天线罩是用金属型材组成空间构架,在

3、构架 内悬吊涂覆尼龙的有机纤维布、有机纤维布黏合拼成中空的柔性罩,将雷达天线罩 于其中.由于柔性膜很薄，因此这类天线罩对电磯波能呈的吸收损耗很小，并对各 种雷达工作频段具有较好的适应性，尤其适于宽频和变频雷达采用.这类天线罩 的特点是；造价低，搬迁方便:但耐久性差有噪音。构架一壳体式构架一壳体式地面番达天线罩与构架恳吊柔性膜鼓风式地面雷达天线罩的 相同之处在于它们都是通过金属构架来承受我荷。不同之处是，构架一壳体式天 线屋用硬质材料（层和或夹芯玻璃钢）壳体替柔性膜=构架一壳体式乂称半 硬壳式，天线罩的总体强度和刚度仍靠构架来保证.这种型式的天线罩适用于 大直径天线的地面雷达。硬壳式硬壳式地面雷

4、达天线罩没有专门的承力构架。这种天线罩用硬质材料组成的別硯尧体来承受载荷.它的结构设计按薄壁秃模型来计算器强度、刚度和变 形。硬壳式:也而雷达天线罩壳块的横剖面结构类型可分为单层实心壁人A型夹芯 E型夹芯、C型夹芯、多垂夹芯和具有金属含物的介质层等横剖面结构如图1所示.单屋式A世夹芯B壁耒芯多里夹芯貝有金絃含 物的介质层8 /24图L1天线罩重壁的剖面结构2造型设计天线罩外形结构的没计要考虑到雷达类型和微波频段、雷达设备结构形状、电磯波入射角、空气动力学、结构力学等诸多四素。经过长久的实践操作 和分析总结逐步形成和验证了较为成熟的天线罩设计方程，为天线罩的设计提 供了强有力的理论依据以下对地面

5、雷达天线罩的设计方程进行分析，规定用直角坐标系(X”耳,Z描述天线賈的曲面形状(内表面和外表面人并且Z轴为天线不扫描时的边射方向。地面書达天线罩的形狀主要有圆筒形加球面顶盖和截球形两种，通常釆用截 球形天线罩，其方程为:Xj+b+zJ-Rj (2.1)鉴于此次设计的地面雷达天线罩的尺寸要求为直径900mm,选择的形状为 不用分块的3/4截球形(即截球高度H = -k2R).用翻遍法兰与基座连接。4如图2. 1所示，球的半径为R,直径D-90 0 nun,球心0 (0 0, 0), 11= 3/4Do图2. 1 截球形雷达天线罩3性能设计3. 1原材料的选择为了得到良好的电性能，天线罩所用原材料

6、要具备良好的透波性，其介电常 数”和“介电损耗角正切”这两个参数値要小。玻璃纤维増强塑料，简称FR P ,是制作天线罩的理梔材料，也是长期实践证明可取的透披材料。FRP又被称为玻璃钢，是树脂基复合材料,所用基体材料为聚酯树脂、环氧 树脂或酚醃树脂等高分子材料，所用增强材料为玻璃纤维.目前.雷达罩材料较 多采用的是环氧树脂和E玻璃纤维,随着对雷达天线罩性能要求的不断提高，D玻 弟纤维、石英玻璃纤维等增强材料及改性双马来醜氨氨树脂、DAIP树脂、M 酸酯树脂等具有更好介质性能的材料也投入了使用.FRP所用增强材料和树脂 的性能参数见下列表格。表3.1增蹑材料的性能参数表材料拉伸强度/GPa弹性模量

7、/GPa介电常数/1CGHz损耗角正切 /10GHzD玻纤2.102. 0 048.04. 0 00 0 023E玻纤2. 523.16716. 1 50. 0054旳玻纤2. 773. 7091.67. 0 00. 0039S玻纤2. 513.95855. 2 00. 00 6 8石英玻纤2. 201. 707 2. 03. 7 80. 0002K V-491.483.461383. 590.00 J 4表3. .2树脂基体材料的性能参数表材料介电常数/10GHz正切损耗/ lCGHz比重环氧树脂3. 1 5. 00 0 1 5 0. 02 1b 10 1.35不饱和聚酯2. 84. 20.

8、 0 10 0.0 2 5L12l. 3 0乙烯基树脂25350. 0 12CL CG 61. 1 5 气 3 1酚醛树脂4 24.80. 0 1 4-0. 0311. 117 3 0表3 3几种材料的高频介电性能材料测试条件介电常数/I OGH乙正切损耗/0GHzDAP玻璃钢INHz4.10. 0 1 310GH 乙3 8 5 4. 00.017酚醛-缩醛玻璃钢1001 Z3. 25 00. 02抗雨蚀涂层10GHz3.10. 031抗静电洙层1 OGHs7.20.2 7耐热酚醛蜂窝芯层J OGHz1.14Q 0 04尼龙酚醛蜂窝芯层1 0 GHz1. 2 00. 0 02雪10 GHz13

9、0. 0 0 05根据使用条件.以及经济效益综台考虑，本次设计雷达天线罩所用的原材料为DAP玻璃钢，取口. 0, tan8=0.017.3. 2单层雷达天线罩的电性能设计地面雷达天线罩的电性能主要指功率传输系数等于加天线罩时天线辐射 的功率与不加天线昼时天线辐射功率的比值,用以度量经过天线罩的衰减和反射 损失后所辐射功率的保留率）、反射功率、波束偏移、波瓣畸变等.对地面雷达 天线罩电性能和机械性能指标分别见表3斗和表3. 5。表3.4地面雷达天线罩的电性能指标项目典型数值电性能0.5传输功率系数 596 反肘功举系数液束偏转/m r a d0. 05-0.3波束偏转误差率/ nu ad / i

10、n r ad0 .0 0 5-0.01 0波束宽度在3 db处的变化/%5旁瓣增加/如2 0 db电平12 5db电平230db电平4表3.5地面雷达天线罩的机械性能指标项目典型巍值耐风速/ (m/ s)6 0-100机械性能温度/C 50-+5 0便用年数/年1 0 153.2.1 度设计在电性能的初步设计中，常将天线罩中的壳块视为平板，计算平而电磯波 经过此平板时的透波特性。此时不计平板边缘的影响，即视为无限大平板，用 此种计算结果来决定天线罩横剖而的结构和尺寸.当电磁波射入平板和从平板透出时，均会在界面处发生反射。平板厚度d 按下式计算：(3.1式中n整数2t;平板介质的相对介电常数;K

11、电磁波在自由空间的波长； 3入射角,当电磁波垂直于平板时,姑0,此时d J1Z/ (2 Jw)(3.2)按式3.2)计算d值作为罩壁厚度的雷达罩称为介质半波长香达置.国际电 信联盟分配的雷达可工作的波段、频率和波长的数值范围见表3. 6。表3. 6宜达波波段.频率和波长频段名称分配频率/GH分配波长/cm频段名称分配频率/分配液长/cGHzmUHF042 0 4 57 1 66.7X8. 5-1 0.683.5 3-2. S 10.89- 0.9433.7-31.9Ku13.4-142.239 -2. 14 3L1.2 15-1. 424.6 9 2E 41 5 . 717. 71.9111.

12、69S2.32513. 0 412K2 4 .0 5 -24.251.247 1. 2372. 7 3 711 18 11Ka33.4-3608980. 833C5 25-5. 9 2 55.71-5. 0 6nmi4 0 3000. 75 -0.1对于K波段，选中间值X= 1.24 2 cm.取n=lf将ii,丸，E,tan6代入式 (3. 2)计算得J =0.3105cm3.105nun,由于工艺误差，罩壁的壁厚实际值取N -0. 300 c iii=3. 00mm,则僱离值 AJ=D. 3 1 05-0.3000-0 .01 0 5 c in= 0 . 1 05mm 3- 2. 2雷达天

13、线置的反射率雷达天线罩的反射率可用下式估算：|r|2=(f-i)/A23.3)式中讦雷达天线罩的反射率。经式(3 一3)计算得|r|2 =0.64%3. 2. 3热损耗电拔波穿过罩体因介质吸收所引起的热损耗Q可用下式估算：Q=2d-/ tan/A(3.4式中 tan/罩壁材料的介电损耗角疋切。经式(3.4)计算得0=0. D5 1 63.2. 4电磁波功率传输系数单层玻璃钢雷达天线罩的电磁波功率传输系数可用下式估算；=(i-0(i-|r|2)(3.5)经式(3-5)计算得=94-24%综上所述，s=4.0, tanS = 0.017, =0.300cm=3, 0 0 tnm, Ad =0.1

14、0 5mni, =0.64%, 0=0. D 5 16 ,|jf=94.2% 4结构设计对地面雷达天线a的结构设计要求,视雷达的预计安装地点而有所不同”这 主要与当地的最大风速及气温变化范围有关,同时还应考虑所处地域的地震及冰 雪负荷、盐雾、沙尘等条件。如果是硬壳式天线呈，无论是单层或夹芯结构， 均简化为各向同性材料构成的薄壁球壳，按腮无矩理论来计算罩体各处的应力, 并考虑天线垦与基础安装处附近的边缘效应4. 1罩体所承受的荷载4 1. 1罩体自重在设计中，通常需要知道单位面积的罩体质昼(罩体自重集度)qq = G/ A(4.1)式中 G罩体的总重；A罩体的表面面积。对于截球形罩体A 二 7.

15、KRH(4. 2式中 R蚤体的半径；H截球的髙度。将 jR450m m = 0.4 5 m, R = 675mm 二 0 .675m 带入式 4.2)计算求得 d=1.909m?在实际计算中，如果仅由壳块的剖面参数来计算，得到壳块剖面的自重集度 了,再引进一些考虑实际结构因素的影响系数，则罩体的自重集度的计算公式为q=內硝(4.3)式中 &封边系数；紅连接件及附加保护涂层质屋系数，简称附加系数；地面雷达天线罩课程设计说明书耐超载系数；q不考虑其边框=连接件及涂层的壳块中央部分单位面积质量。耐考虑壳块之间或壳块与空间构架连接所增加的壳块边缘件边框)所占 质量的比例，常取耐=1.1；心考虑连接件(

16、螺拴、螺帽、垫圈、垫片)和涂 于罩体表面的防紫外线涂层所增加的质量的比例，常取VI 2 A考虑发生垂直 地餐及其他无法精确预计的超载的影响，常取禺=1.21.3,这里取i3=1.2n对于虫层硬壳式雷达天线罩&的计算公式如下；d =dy(4.4)式中d单层厚度；Y单层材料的体积质量.对于单层玻璃钢硬壳式天线罩 尸1718kN/m这里取厂18kN/ mi将 c?=3inm=3 X 1 0 -,m,y= J 8 kN/m2代入式(4.4)计算得q =0.054kN /m o将？=0. 054 k N/m fcj=1.2, j= 1 . 2 代入式(4.3)计算得 =O. 0 7 8 kN/m,将qn

17、.O 7 8kN/mM=l. 9 09m2代入式(4. 1)计算得 G =0. 1 49k N-m,4.1.2风载荷风载荷按照建筑结构载荷规范(GB J 987),并结合地面雷达安装地 点与条件确定。这些条件包括：当地的基本风压(由1D年一過的最大风速f确 定)、所处地区(山区、沿海、海岛、内路、地面粗糙度平面、城镇郊区、市 区)和雷达罩距海平面或地面高度。风速。所产生的速度压0。N/nP)可按下式计算：轴=陶忍(4.5)式中 r空气的体积质呈，1. 2 25n/nr；。当地最大风速，单位是in/s；&风压高度变化系数，按表4.1确定。表4. 1凤压高度变化系数离地面或海平面高度 /mA地面粗

18、糙度类别BC101.381.000.71151.5 2L 140.842 01631.250. 9 4301.80142J.114 01.9 2L 561.24502. 031. 67167602. 121.771. 7 7702. 201.861.8 6表中地面粗糙度分为A、B. C三类；A类指近海悔面、海岛、海岸r湖岸及沙漠地区;B类指田野r乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊区；C类指有密集建筑群的大城市市区。轴称为基本风压，它在球罩各处所引起的荷载随球罩的经纬度而变.可以 由球罩的体型系数心来表示。根据风洞实验结果、&可用表达式近似为& = 0.5sin2 ipcQ&

19、O- cos2 p(4 6)式中甲球罩纬度,顶点处=0;0球罩经度，迎风处0=0。坐标见图竄1 o &沿& = 0的纵向截面的分布如图42所示八爪向J太原郊区的地而粗糙度为B类，离地面髙度大为3 Omf由表4.1可知选风 压高度变化系数kz=l . 42。由太原气象参数査询得太原当地最大风速$为 25m / s,经式(4. 5)计算得基本风压g0=1087.19N / m2,球罩任意点/处所经受的荷载如为如=區=q()(0.5sin2 ecosf -cos2 初(4.7)由图4. 2可知只需计算特殊的五个点的荷载即可，这五个点分别为： (90%0)、(0,9tf)、(90,180)、(120；

20、0)、120,180),将卩=9 0。，0=0,兔= 1087. 19N/m2 代入式4. 7)计算得 /2)fl/(l+gj 叭一 cos0|(4.12)N戶(4.1 3)式中 D罩体直径，单位in;月经向角与纬向角，内力分布如图4.5所示JV(O390) =-17.55N/m, 皿(0,90)=1 7. 5 5N/m?N(O,9fT)=0叫(9Oe)=35.1N/m, (90,0)= 3 5.1 N/iil AT(90,0)=0%(90,180)二-35.1N/m,芯(9(r,18(r)二3 5.1N/m, (90180*)= 02V?(12O0,0) =-35.1 N/m,(120,0)

21、 =87.7 5 N/m, %(12ff,0)=0JV/12O0,180) =- 3 5.1 N/m, %(12080)=35. lN/m,血(120R0)F4. 2.2罩体因风载产生的內力在风荷载作用下，截球体的内力表达式为；=一鱼知一 sinecos 奴3 十 Zsinjcosg十鱼2(1 十 cos p)(4.14)卩 32血98=.|23_Snicos(3+2sin2)-8sin2cos + (3cos2-/)J 32 sin ip8(4.15)吓 32 sin冷l八，(4.16)式中绻风速q时的速度压，按式(4.5)计?0 = 1 D 87.19N / m20以特殊的六个点的内力由式

22、(4.14)、式(4. 15)和式(4. 16)计算:得： N.(90,0) =1 2 2 ,31N/m r (9090)244. 6 2 N/m,JV(9O,O)=0 (0,90)=2 4 4.62N/m,叫(0,90。)二 2 4 4. 6 2N/m, 2/(0,90)-0 7Vf(9O0,18O)=12 2.3 1 N /m,JVs(903180) = 122.31 N/m,7V(900480)=02Vf(120%0)=3 4 6. 4 4 N/mT(120,0)=380 0 8N/m,(120,0)=0W,(120J80)= 254.81 N / m,饨(120, 180)=2 2 4

23、. 1 3N / m ,弘(120。,180。)二 0ATF(3O0,6O)=- 183.7 5N/m ,(30,60)= - 41.58N/ m ,(30%60)=- IL 76N/m4. 2. 3罩体因雪荷载产生的内力雪荷载务引起的球罩薄膜内力按下式计算：沪M90 时N 二-qP4N厂（诃做-2曲N/0(4.17)(p 90 时 N. = (-5D/4)sidl2 p(4.18)以特殊的五个点经计算得：JVF(9O,O)=-95.9 2N/m, (90,0)= 9 5.92N/mr N卑(90,0)=0N(0/MF)=-9 5.92 N/m, JVff(O,9OB)=-95. 9 2N/m

24、, 2V(03W) = D (90180)95. 9 2N/m, 7(9480) =95. 9 2 N/m. JV(90180)-0 JVf(120%0)=-7 1. 94N/m,Nf 20,0)二71.94N/im N,(120,0)二0JV/12O0,180) =-71.94N/in, (120,180)= 7 1.9 4 N/m, 2020J80)=042. 4温差内力当球罩内为安装空调时，认为球置温度为环境温度且内外温度相等，因此按 无矩理论，其温差应力为零。42. 5边缘约束力上述内力计算均按照无矩理论，没有考虑固定基座对球罩变形的约束。在 基座件处，球垦因自重所产生的纬向内力仏为=

25、(Z)/2)l/(l+ca)_cos 1 刃式中 鶴基座处球罩的经向角，如图4. 6所示由以上计算得=78N/m2,由图读取转=120 ,代入式(4.19得 =88N/m图4. 6 边缘约束力示意4 3内力组合对于前述作用于罩体的各项內力，应考虑它们的联合作用，即取诸因素的 最不利组合，计算罩体各处的最大内力值,并据此计算球虽壳体的强度0经计算得：JVF(0a90B)= 1 31.15N/m, Ne(9)=134.1 5N / m,(039r)=0;叫(90；0)二一8了二-113. 58N/in,(9(r,O)= D；叫(90,180) =-8.71 N / ni,(9(,180=2 5 3

26、. 3 3N / m,2(90180*)-0, 叫(120：0)=2 3 9.40N/m, NQ2(r期=6 27.7 7 N/m, 心(12OO)= D。叫(120,180)二 1 47.7 7N/m,(120,180) =419.17N/m,2(120,180)=0JV(3Oo,6O)- - 1 1 .76N/m由上计算可知，罩体的最大内力发生在基圆上。其中，豪大经向和纬向内力 均发生在点(120,0)处，为 JV/1200)-2 3 9. 4 0 N/m.(12(r,0) = 6 2 7.7 7N/m；最大剪力作用于60?70之间，在0二6 0。处，为皿/刃二抄)二一 1 1 .76N/

27、m4L 4罩体强度计算通常由电性能设计確定罩体的结构形式与剖面尺寸后、再由上节所述的内力 计算所确定的最不利组合的最大内力值，来校核在该处的剖面的强度.即计算 最大内力点剖面的应力,用强度理论蔡-胡失效准则来校核强度。4.4-1硬壳式单层结构的各应力对于硬壳式单层结构其正应力、和剪应力为：8xl0 2MPa cr2=a0 =0.209APa:cf6 = b* = 332x1 MPa(4.22)式中Xt纵向拉仲强度、兀二284.4砂；Xc纵向压缩强度、兀=245.2Z/Pa；Yt橫向拉伸强度諾OMPa,Yc横向压缩强度,兀=120MFa:S面内剪切fS = AGQMPa.另外坊一般可采用下式计算

28、：巧2二命I耳2(4. 2 3)根据式(4.2 2)可求出：Fu= 1.43xlO-5 MPa , Fn = 1.04x10* MPa 耳=1汶1旷 MPa ,骂=_5. 2xl0-3 MPa r =4.17x1 MPa ,硯=% 二坯=392x10 MPa 根据式(4.2 3 )可求出：比二一密瓦二T 94灯0巧MPa将上述结果代入式(4. 2 7)计算得：巧壬 + 2耳2巧巧 + 聲Q + %6& + 耳巧 +70=1.59x10 2根据蔡胡失效准则计算飽结果远远小于1 ,因业该硬壳式单层雷达天线罩 満足强度要求。4. 5罩体穩定性计算在计算罩体的稳定性吋主要考虑它在风压作用下是否产生屈曲.可以应用 经验公式来计算临界风压% :pcr = 14.82/D)25WJD 0.0045 时)(4 24)pcr = 001249