陳應春，宋曉斐

（1. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司，江蘇南京 211106；2. 南京電子技術研究所，江蘇南京 210039）

引 言

相控陣天線掃描速率高，波束方向改變速度快，目標信號測量精確度高于機械掃描天線，這些優(yōu)點使得相控陣天線的研究和應用得到了巨大的發(fā)展[1-2]。目前，相控陣天線主要為平面陣布局形式，這種形式在結構上存在掃描角度小、空間利用率低等問題。

球面陣列天線具有半空間甚至全空間波束掃描能力[3-4]，可以有效克服平面陣列天線掃描角度小的問題。另外，球面陣列天線安裝在球形天線罩內部，能夠更好地利用球罩內部空間，在同樣大小的空間內與平面陣列天線相比能布置更多的天線單元，因而能提高天線陣面的性能。因此，研究球面陣列天線結構形式具有極強的理論和工程實踐價值，關系到天線的工程實現(xiàn)方式，更影響到天線的生產(chǎn)成本。

本文分析了球面陣列天線的結構設計需求，根據(jù)其結構特點，提出了一種新的天線陣面結構布局方案，并給出了天線陣面主要部件，如陣面骨架、天線子陣、天線單元等的設計思路。同時對陣面骨架進行了力學分析，初步驗證了天線陣面結構設計的合理性。

1 球面陣列天線結構設計需求

根據(jù)電訊總體的要求，天線陣面球徑約為2 m，主要包括幾百個天線單元、若干個多邊形子陣、各種電模塊、陣面骨架、天線罩等。天線陣面的結構設計需要重點考慮以下幾個方面：

1）天線陣面安裝在車載平臺上，其最大球徑不得超過車輛運輸?shù)淖畲髮挾龋?.5 m），要在此空間范圍內盡量多地布置天線單元，實現(xiàn)天線陣面性能的最大化；

2）天線陣面無需方位轉動和俯仰轉動就可實現(xiàn)全空間波束覆蓋；

3）天線陣面尺寸較大，很難采用整體加工方法制作陣面骨架，需要特殊的拼裝結構組成一個球面骨架；

4）將純球面陣結構轉化為易于實現(xiàn)的多平面式球面陣結構，提高球面共形相控陣天線的可生產(chǎn)性[5]；

5）多邊形子陣數(shù)量眾多，在結構設計時，需要盡量減少子陣規(guī)格，規(guī)劃子陣中天線單元的排布，節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期；

6）天線陣面內部留有人員操作空間和維修口，方便人員進出陣面內部和維護陣面內部器件；

7）陣面骨架結構剛強度要求為陣面骨架結構在1 500 kg（天線陣面質量）載荷和自身重力載荷作用下不被破壞且變形盡量??；

8）天線陣面的結構形式便于整體吊裝。

2 球面陣列天線結構布局

某球面陣列天線（圖1）安裝在車載平臺上，實現(xiàn)對通信衛(wèi)星的實時跟蹤，其穩(wěn)定的波束切換特性為無線通信提供了保證。該天線無需方位轉動和俯仰轉動就可實現(xiàn)全空間波束覆蓋。天線陣面上部為球形，采用富勒烯結構中的C60形式將多個五邊形子陣、六邊形子陣和梯形子陣拼裝成球體；天線陣面下部為圓柱形，由多個矩形子陣拼裝成圓柱體；天線陣面底部為陣面底框，底框四周設置有吊裝接口，用于天線陣面的整體吊裝；天線陣面的外部安裝天線罩，保護天線陣面。

圖1 天線陣面結構示意圖

各個子陣均由天線單元、射頻接收模塊、數(shù)字預處理模塊等組成，安裝在陣面骨架上。陣面骨架安裝在底框上。底框上設置有維修口，方便人員進出陣面內部和維護陣面內部器件。另外底框上設置有天線陣面的各種對外接口，用于天線陣面和外部設備的信號傳輸。天線陣面內部還裝有時頻分機、電源分機、數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming, DBF）模塊、嵌入式空調等設備，陣面內部布局如圖2所示。

圖2 天線陣面內部布局示意圖

3 球面陣列天線結構設計

本文根據(jù)球面陣列天線結構設計需求，針對結構設計難點，僅對陣面骨架、天線子陣、天線單元和陣面吊裝進行敘述。

3.1 陣面骨架

陣面骨架是天線子陣的安裝載體，作為整個天線陣面的主要承力部件，它既要保證天線陣面在使用環(huán)境下結構不被破壞，又要確保天線陣面能夠保持高精度的電訊性能[6]。由于球面陣列天線的結構相比于其他形式的天線陣面更加復雜，天線單元分布形式更多，天線單元安裝固定更加困難，天線單元之間的位置精度更難控制，因此需要將難以加工和裝配的純球面陣結構轉化為易于實現(xiàn)的多平面式球面陣結構，提高球面相控陣天線的可生產(chǎn)性。

陣面骨架采用富勒烯結構中的C60形式將多個五邊形面和六邊形面拼裝成球面，實現(xiàn)球面的多平面化，使得天線單元的安裝固定更加簡單，天線單元的位置精度更容易保證，也使球面相控陣天線的可生產(chǎn)性更好，降低了生產(chǎn)和裝配成本。陣面骨架采用桁架拼裝結構，主要由各種機加工桿件和桿件接頭組成，通過相互螺栓連接的方式組成具有一定功能的球面式相控陣天線框架結構，如圖3所示。桿件和接頭均采用厚鋁板或鋁棒加工而成，重量較輕，剛度很好，其上有子陣的定位基準和安裝接口。

圖3 陣面骨架結構示意圖

3.2 天線子陣

球形天線陣面由若干個天線子陣拼裝而成。天線陣面上部為球形，采用富勒烯C60結構形式將多個五邊形子陣、六邊形子陣和梯形子陣拼裝成球體，其中梯形子陣由六邊形子陣演化而來，保證球面部分的完整性。天線陣面下部為圓柱形，由多個矩形子陣拼裝成圓柱體，如圖4所示。天線子陣由多個天線單元、反射板、射頻接收模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊等組裝而成，每個子陣上的天線單元都按照一定的規(guī)律布置在子陣的反射板上，子陣內天線單元之間的位置關系根據(jù)反射板上的銷孔定位實現(xiàn)，不同子陣之間的位置關系依靠陣面骨架上的定位面保證。反射板背部安裝有射頻接收模塊和數(shù)據(jù)預處理模塊，相互間通過銷子定位，保證安裝位置精度，各模塊連接器通過盲插互聯(lián)，連接可靠，便于維護。

圖4 子陣布局結構示意圖

3.3 天線單元

天線單元采用微帶貼片結構形式，與其他天線結構形式相比，它具有剖面薄、體積小、重量輕等特點，其結構可以與載體表面形成共形結構，易于實現(xiàn)陣面的“輕薄化”[7]。天線單元主要由上偶極子貼片、下偶極子貼片、同軸電纜、塑料支撐柱、金屬底板等組成。上偶極子貼片與同軸電纜的內導體電連接，下偶極子貼片與同軸電纜的外導體電連接，偶極子貼片上下錯開，滿足等幅、正交、相位差90°的條件，實現(xiàn)圓極化，如圖5所示。

圖5 天線單元結構示意圖

3.4 陣面吊裝

球形天線陣面的吊裝方式關系到運輸、架設、測試等的方便性，吊點的設置也會影響天線陣面的具體結構設計。在天線陣面的底框四邊設置8個吊裝孔，用來安裝吊環(huán)，可以對天線陣面進行整體吊裝，見圖6。

圖6 天線陣面吊裝示意圖

4 陣面骨架的力學分析

球形天線陣面有天線罩保護，不會直接受到風力的影響，而且自身也不存在方位和俯仰的轉動，因此球形天線陣面在工作中只受到自身重力載荷的作用。為了驗證球形天線陣面在自身重力載荷作用下能夠正常工作且不破壞，需要對陣面骨架結構的剛度和強度性能進行分析和評價，為天線陣面結構的設計和改進提供技術依據(jù)。

4.1 有限元模型的建立

本文采用HyperMesh軟件建模，采用ANSYS軟件計算分析。建模所涉及的材料及其參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

4.2 陣面骨架結構剛度分析

陣面骨架結構在1 500 kg（天線陣面質量）載荷和自身重力載荷作用下的三向綜合變形如圖7所示。由圖7可見，陣面骨架上部結構的變形較大，局部最大變形約為2.63 mm，滿足天線陣面結構剛度要求。

圖7 陣面骨架結構的三向綜合變形

4.3 陣面骨架結構強度分析

陣面骨架結構在1 500 kg（天線陣面質量）載荷和自身重力載荷作用下的的應力分布如圖8所示。由圖8可見，最大應力發(fā)生在連接接頭處，約為35.3 MPa。

圖8 陣面骨架結構的應力分布圖

從材料手冊中查得5A05鋁材（鋁鎂合金）的屈服強度σ0.2≥125 MPa，安全系數(shù)ns可取1.5，許用應力[σ] =σ0.2/ns= 83.3 MPa。陣面骨架中鋁材結構承受的最大應力小于鋁材的許用應力[8]，滿足天線陣面結構的強度要求。

5 結束語

本文根據(jù)球面陣列天線結構設計需求，采用富勒烯結構中的C60形式將純球面陣結構轉化為易于實現(xiàn)的多平面式球面陣結構，提高了球面陣列天線的可生產(chǎn)性。在此基礎上提出了一種新的天線陣面結構布局方案，并給出了陣面骨架、天線子陣、天線單元等的設計思路，可為其他類似球面陣列天線的結構設計提供理論參考。本文針對球面陣列天線結構僅僅做了總體布局的規(guī)劃，后續(xù)還需要對陣面骨架、天線子陣等開展進一步研究。