潘忠堂

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京 211106）

引 言

某雷達(dá)為多功能相控陣?yán)走_(dá)，僅一部雷達(dá)就可完成搜索、跟蹤和制導(dǎo)的全部功能。其天線陣面由主陣列、導(dǎo)彈照射制導(dǎo)陣列、敵我識(shí)別和旁瓣對(duì)消陣列組成[1]。其主陣列采用光學(xué)饋電即空饋方式，直徑為2.44 m。為了測試該雷達(dá)的反導(dǎo)性能，需要對(duì)它進(jìn)行各種電子對(duì)抗試驗(yàn)。如果直接用該雷達(dá)去做電子對(duì)抗試驗(yàn)，雖然能獲得很好的效果，但很不經(jīng)濟(jì)，而且在打靶試驗(yàn)中雷達(dá)還可能被試驗(yàn)導(dǎo)彈擊毀，從而造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。如果用一個(gè)模擬該雷達(dá)主要功能、簡化或取消次要功能的模擬雷達(dá)來代替它去做電子對(duì)抗試驗(yàn)，就可以大大減少試驗(yàn)費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)損失。如果將模擬雷達(dá)的天線布置在離發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等主機(jī)設(shè)備較遠(yuǎn)的地方，就可避免在打靶試驗(yàn)中雷達(dá)主機(jī)設(shè)備被導(dǎo)彈擊毀的風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步減少試驗(yàn)損失。

本文根據(jù)雷達(dá)電子對(duì)抗試驗(yàn)的需要，從減少試驗(yàn)費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)損失的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了適合靶場試驗(yàn)的雷達(dá)天線并對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低成本，天線采用基礎(chǔ)框架與相控陣陣面相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。天線總體結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)框架和相控陣陣面2部分組成。相控陣陣面穿過基礎(chǔ)框架上的方孔，其安裝法蘭通過螺栓與方孔上的法蘭連接。相控陣陣面的波控機(jī)箱和光端機(jī)安裝在基礎(chǔ)框架的背面，如圖1所示。

圖1 天線總體結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)框架形成天線的整體結(jié)構(gòu)，用于模擬實(shí)際天線的雷達(dá)散射截面積[2]。相控陣陣面模擬實(shí)際天線照射反輻射子母彈的功率電平、對(duì)目標(biāo)的掃描與跟蹤模式、誘偏系統(tǒng)功率電平與工作模式以及電子對(duì)抗條件下的工作模式。

波控機(jī)箱共2個(gè)，分別位于相控陣陣面的上側(cè)和下側(cè)，用于控制移相器的相位。波控機(jī)箱下端進(jìn)風(fēng)，上端出風(fēng)，風(fēng)口設(shè)計(jì)有防雨罩，靠近相控陣陣面的兩側(cè)設(shè)計(jì)連接插座，用于連接相控陣陣面和光端機(jī)的電纜。相控陣陣面背面的四角各設(shè)計(jì)一個(gè)出線孔，每個(gè)出線孔穿過陣面四分之一移相器的控制電纜。從相控陣陣面背面上端兩孔出來的電纜與上側(cè)波控機(jī)箱兩側(cè)的插座相連；從相控陣陣面背面下端兩孔出來的電纜與下側(cè)波控機(jī)箱兩側(cè)的插座相連，這樣有利于電纜的連接，保證等長的波控機(jī)箱控制電纜長度最短。光端機(jī)通過光纜與遠(yuǎn)程系統(tǒng)連接。光端機(jī)將光信號(hào)解調(diào)成電信號(hào)后輸入到2個(gè)波控機(jī)箱，作為波控機(jī)箱的控制信號(hào)。為了有效防雨，為相控陣陣面背面的出線孔設(shè)計(jì)了防雨罩，波控機(jī)箱和光端機(jī)選用防雨插座。

基礎(chǔ)框架下端設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)動(dòng)支耳，用于天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，背面設(shè)計(jì)有推力支耳，用于連接推動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的倒豎機(jī)構(gòu)。

1.2 基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)應(yīng)采用簡單的天線結(jié)構(gòu)以降低天線的生產(chǎn)成本?；A(chǔ)框架采用骨架加蒙板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。蒙板用鉚釘或螺釘與骨架連接。骨架主要承載相控陣陣面的質(zhì)量和風(fēng)載荷[3]，應(yīng)具有足夠的剛強(qiáng)度[4]。蒙板一方面模擬天線的外形，另一方面加強(qiáng)骨架的剛強(qiáng)度。骨架采用等邊角鋼焊接而成，中心設(shè)計(jì)有用于安裝相控陣陣面的方孔。在方孔四周焊接加強(qiáng)板，加強(qiáng)板可提高骨架的剛度，并對(duì)相控陣陣面的安裝起導(dǎo)向和定位作用。在方孔上表面焊接一塊安裝法蘭，用于相控陣陣面的安裝。對(duì)方孔四周和安裝法蘭的表面進(jìn)行加工處理，以提高相控陣陣面的安裝精度。在基礎(chǔ)框架底部設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)支耳，在背面設(shè)計(jì)推力支耳，將它們與基礎(chǔ)框架的骨架焊接在一起進(jìn)行整體加工，以提高天線的安裝精度。

圖2 基礎(chǔ)框架

1.3 相控陣陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相控陣陣面采用的饋電形式有強(qiáng)饋和空饋2種。強(qiáng)制饋電需要復(fù)雜的功率分配和功率合成網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)天線輻射單元饋電[6]。空饋陣又可分為透鏡陣和反射陣，透鏡式空饋又可分為球面波饋電、球面波到平面波轉(zhuǎn)換饋電和平面波饋電[5]。反射陣縱向尺寸大，效率低[7]。喇叭空饋方式是球面波透鏡式空間饋電方式的一種變形，這種饋電形式結(jié)構(gòu)簡單，而且是封閉式的，能量漏失小，饋電效率高，因此相控陣陣面采用喇叭空饋結(jié)構(gòu)。

相控陣陣面輻射單元可采用喇叭或開口波導(dǎo)，可按矩形排列或三角形排列，可單獨(dú)設(shè)計(jì)或一體化設(shè)計(jì)。一體化三角形排布喇叭陣面[8]的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高，但輻射單元三角形排列可使陣面結(jié)構(gòu)緊湊。為了降低成本，相控陣陣面輻射單元采用成本低廉的開口波導(dǎo)并按三角形排列，輸入單元、移相器和輻射單元通過軸向階梯定位面依次連接，然后再安裝到陣面箱體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低。另外，對(duì)于同樣的柵瓣抑制，輻射單元按三角形排列時(shí)所需的單元數(shù)比按矩形排列時(shí)少。

相控陣陣面由陣面箱體、陣面箱蓋、天線罩、輸入單元、移相器、輻射單元、風(fēng)機(jī)和喇叭饋源等組成，如圖3所示。

圖3 相控陣陣面剖視圖

輸入單元、移相器、輻射單元和風(fēng)機(jī)設(shè)置在陣面箱體內(nèi)。輸入單元、移相器和輻射單元通過軸向階梯定位面依次連接，風(fēng)機(jī)設(shè)置在它們上方。陣面箱蓋和天線罩分別設(shè)置在陣面箱體的側(cè)面，喇叭饋源安裝在陣面箱蓋上。輸入單元和輻射單元的一端設(shè)計(jì)為凸頭，另一端設(shè)計(jì)為凹頭。移相器的兩端均設(shè)計(jì)為凸頭，這2個(gè)凸頭可分別插入輸入單元和輻射單元的凹頭進(jìn)行固定。陣面箱體的底板與陣面箱蓋相對(duì)，箱蓋和底板上設(shè)有相對(duì)應(yīng)的方孔，輻射單元的凸頭插入底板上的方孔，輸入單元的凸頭插入箱蓋上的方孔。

喇叭饋源將輸入電磁波信號(hào)輻射到輸入單元，經(jīng)移相器移相后從輻射單元輻射出去，通過控制移相器的相位來控制天線陣面波束的掃描。

為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際天線的回波功率，天線罩的高度應(yīng)盡量小，以保證相控陣陣面安裝到基礎(chǔ)框架上后凸出的高度小于或等于實(shí)際天線上主陣列凸出的高度。

移相器產(chǎn)生的熱量由風(fēng)機(jī)排出陣面箱體。如圖3和圖4所示，冷風(fēng)從陣面箱體下端的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入陣面箱體的下腔體；下腔體上端設(shè)計(jì)有過風(fēng)孔，冷風(fēng)可由過風(fēng)孔進(jìn)入安裝移相器的主腔體；冷風(fēng)自下往上從移相器間穿過，到達(dá)上端時(shí)變成熱風(fēng)；熱風(fēng)被風(fēng)機(jī)通過風(fēng)機(jī)孔排入陣面箱體的上腔體，再從陣面箱體上端的出風(fēng)口排出。移相器的控制電纜經(jīng)過箱體內(nèi)側(cè)壁的過線孔，從相控陣陣面背面的出線孔引出。出線孔部位作了密封防護(hù)，外面設(shè)計(jì)有防雨罩。

圖4 陣面箱體（不含移相器等）

2 天線結(jié)構(gòu)仿真分析

天線結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度決定天線的安全性和精度[9]。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，天線單元的高低和間距誤差皆小于±1 mm，考慮到加工和安裝誤差，天線結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)控制在0.5 mm之內(nèi)。天線具有工作和運(yùn)輸2種狀態(tài)，工作時(shí)天線與水平面成60°角，運(yùn)輸時(shí)天線成0°躺倒。天線工作時(shí)需承受較大的風(fēng)載荷，剛從運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要承受較大的彎矩，因此，需要對(duì)天線傾斜0°和60°兩種狀態(tài)的剛強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。

天線受到的載荷主要有基礎(chǔ)框架自身的質(zhì)量、相控陣陣面的質(zhì)量、波控機(jī)箱的質(zhì)量（100 kg）、光端機(jī)的質(zhì)量（10 kg）和風(fēng)載荷。為了減小模型的計(jì)算量，對(duì)相控陣陣面模型進(jìn)行簡化，將陣面內(nèi)安裝的移相器、輸入單元、輻射單元等器件去掉，仿真時(shí)在陣面中間加入這些被去掉的器件質(zhì)量（150 kg）。天線傾斜0°時(shí)，風(fēng)載荷（180 kg）主要作用在天線的側(cè)面，天線傾斜60°時(shí)，風(fēng)載荷（1 152 kg）主要作用在天線的正面。設(shè)計(jì)要求的風(fēng)速為40 m/s，風(fēng)載荷按公式（1）計(jì)算：

式中：F為風(fēng)載荷，kg；C為風(fēng)阻系數(shù)，取1.2；A為迎風(fēng)面面積，m2；V為風(fēng)速，m/s。

基礎(chǔ)框架的骨架選用Q235鋼，蒙板選用5A05鋁合金，相控陣陣面的陣面箱體和喇叭饋源采用5A05鋁合金，天線罩采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料。采用有限元方法[10]對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。圖5為天線有限元模型，圖6為天線的變形云圖，圖7為天線的應(yīng)力云圖。

圖5 天線有限元模型

圖6 天線變形云圖

圖7 天線應(yīng)力云圖

天線在水平狀態(tài)和工作狀態(tài)下的最大變形分別為0.06 mm和0.20 mm，最大應(yīng)力分別為9.91 MPa和26.63 MPa。天線的最大應(yīng)力為26.63 MPa，小于鋼、鋁或玻璃纖維增強(qiáng)塑料的許用應(yīng)力，最大變形為0.20 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

采用模擬雷達(dá)代替真正的雷達(dá)去做電子對(duì)抗試驗(yàn)可節(jié)省大量試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。采用基礎(chǔ)框架與相控陣陣面相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)、用較少單元的相控陣陣面模擬真實(shí)雷達(dá)的相控陣陣面、簡化或取消一些次要功能等可節(jié)約70%左右的成本。該模擬雷達(dá)天線各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，性能可靠，使用維護(hù)方便，交付某靶場使用后，受到用戶好評(píng)。