某模拟雷达的天线结构设计与仿真分析*

2021-12-29潘忠堂

电子机械工程 2021年6期

潘忠堂

（南京恩瑞特实业有限公司，江苏南京 211106）

引言

某雷达为多功能相控阵雷达，仅一部雷达就可完成搜索、跟踪和制导的全部功能。其天线阵面由主阵列、导弹照射制导阵列、敌我识别和旁瓣对消阵列组成[1]。其主阵列采用光学馈电即空馈方式，直径为2.44 m。为了测试该雷达的反导性能，需要对它进行各种电子对抗试验。如果直接用该雷达去做电子对抗试验，虽然能获得很好的效果，但很不经济，而且在打靶试验中雷达还可能被试验导弹击毁，从而造成很大的经济损失。如果用一个模拟该雷达主要功能、简化或取消次要功能的模拟雷达来代替它去做电子对抗试验，就可以大大减少试验费用和经济损失。如果将模拟雷达的天线布置在离发射机、接收机等主机设备较远的地方，就可避免在打靶试验中雷达主机设备被导弹击毁的风险，从而进一步减少试验损失。

本文根据雷达电子对抗试验的需要，从减少试验费用和经济损失的角度出发，设计了适合靶场试验的雷达天线并对天线结构进行了仿真分析。

1 天线结构设计

1.1 天线总体结构设计

为了降低成本，天线采用基础框架与相控阵阵面相结合的复合结构。天线总体结构由基础框架和相控阵阵面2部分组成。相控阵阵面穿过基础框架上的方孔，其安装法兰通过螺栓与方孔上的法兰连接。相控阵阵面的波控机箱和光端机安装在基础框架的背面，如图1所示。

图1 天线总体结构

基础框架形成天线的整体结构，用于模拟实际天线的雷达散射截面积[2]。相控阵阵面模拟实际天线照射反辐射子母弹的功率电平、对目标的扫描与跟踪模式、诱偏系统功率电平与工作模式以及电子对抗条件下的工作模式。

波控机箱共2个，分别位于相控阵阵面的上侧和下侧，用于控制移相器的相位。波控机箱下端进风，上端出风，风口设计有防雨罩，靠近相控阵阵面的两侧设计连接插座，用于连接相控阵阵面和光端机的电缆。相控阵阵面背面的四角各设计一个出线孔，每个出线孔穿过阵面四分之一移相器的控制电缆。从相控阵阵面背面上端两孔出来的电缆与上侧波控机箱两侧的插座相连；从相控阵阵面背面下端两孔出来的电缆与下侧波控机箱两侧的插座相连，这样有利于电缆的连接，保证等长的波控机箱控制电缆长度最短。光端机通过光缆与远程系统连接。光端机将光信号解调成电信号后输入到2个波控机箱，作为波控机箱的控制信号。为了有效防雨，为相控阵阵面背面的出线孔设计了防雨罩，波控机箱和光端机选用防雨插座。

基础框架下端设计有转动支耳，用于天线的转动，背面设计有推力支耳，用于连接推动天线转动的倒竖机构。

1.2 基础框架结构设计

基础框架设计应采用简单的天线结构以降低天线的生产成本。基础框架采用骨架加蒙板结构，如图2所示。蒙板用铆钉或螺钉与骨架连接。骨架主要承载相控阵阵面的质量和风载荷[3]，应具有足够的刚强度[4]。蒙板一方面模拟天线的外形，另一方面加强骨架的刚强度。骨架采用等边角钢焊接而成，中心设计有用于安装相控阵阵面的方孔。在方孔四周焊接加强板，加强板可提高骨架的刚度，并对相控阵阵面的安装起导向和定位作用。在方孔上表面焊接一块安装法兰，用于相控阵阵面的安装。对方孔四周和安装法兰的表面进行加工处理，以提高相控阵阵面的安装精度。在基础框架底部设计转动支耳，在背面设计推力支耳，将它们与基础框架的骨架焊接在一起进行整体加工，以提高天线的安装精度。

图2 基础框架

1.3 相控阵阵面结构设计

相控阵阵面采用的馈电形式有强馈和空馈2种。强制馈电需要复杂的功率分配和功率合成网络为每个天线辐射单元馈电[6]。空馈阵又可分为透镜阵和反射阵，透镜式空馈又可分为球面波馈电、球面波到平面波转换馈电和平面波馈电[5]。反射阵纵向尺寸大，效率低[7]。喇叭空馈方式是球面波透镜式空间馈电方式的一种变形，这种馈电形式结构简单，而且是封闭式的，能量漏失小，馈电效率高，因此相控阵阵面采用喇叭空馈结构。

相控阵阵面辐射单元可采用喇叭或开口波导，可按矩形排列或三角形排列，可单独设计或一体化设计。一体化三角形排布喇叭阵面[8]的结构复杂，加工成本高，但辐射单元三角形排列可使阵面结构紧凑。为了降低成本，相控阵阵面辐射单元采用成本低廉的开口波导并按三角形排列，输入单元、移相器和辐射单元通过轴向阶梯定位面依次连接，然后再安装到阵面箱体内。这种结构简单，加工成本低。另外，对于同样的栅瓣抑制，辐射单元按三角形排列时所需的单元数比按矩形排列时少。

相控阵阵面由阵面箱体、阵面箱盖、天线罩、输入单元、移相器、辐射单元、风机和喇叭馈源等组成，如图3所示。

图3 相控阵阵面剖视图

输入单元、移相器、辐射单元和风机设置在阵面箱体内。输入单元、移相器和辐射单元通过轴向阶梯定位面依次连接，风机设置在它们上方。阵面箱盖和天线罩分别设置在阵面箱体的侧面，喇叭馈源安装在阵面箱盖上。输入单元和辐射单元的一端设计为凸头，另一端设计为凹头。移相器的两端均设计为凸头，这2个凸头可分别插入输入单元和辐射单元的凹头进行固定。阵面箱体的底板与阵面箱盖相对，箱盖和底板上设有相对应的方孔，辐射单元的凸头插入底板上的方孔，输入单元的凸头插入箱盖上的方孔。

喇叭馈源将输入电磁波信号辐射到输入单元，经移相器移相后从辐射单元辐射出去，通过控制移相器的相位来控制天线阵面波束的扫描。

为了准确模拟实际天线的回波功率，天线罩的高度应尽量小，以保证相控阵阵面安装到基础框架上后凸出的高度小于或等于实际天线上主阵列凸出的高度。

移相器产生的热量由风机排出阵面箱体。如图3和图4所示，冷风从阵面箱体下端的进风口进入阵面箱体的下腔体；下腔体上端设计有过风孔，冷风可由过风孔进入安装移相器的主腔体；冷风自下往上从移相器间穿过，到达上端时变成热风；热风被风机通过风机孔排入阵面箱体的上腔体，再从阵面箱体上端的出风口排出。移相器的控制电缆经过箱体内侧壁的过线孔，从相控阵阵面背面的出线孔引出。出线孔部位作了密封防护，外面设计有防雨罩。

图4 阵面箱体（不含移相器等）

2 天线结构仿真分析

天线结构的刚强度决定天线的安全性和精度[9]。根据设计指标要求，天线单元的高低和间距误差皆小于±1 mm，考虑到加工和安装误差，天线结构的变形应控制在0.5 mm之内。天线具有工作和运输2种状态，工作时天线与水平面成60°角，运输时天线成0°躺倒。天线工作时需承受较大的风载荷，刚从运输状态转动时要承受较大的弯矩，因此，需要对天线倾斜0°和60°两种状态的刚强度进行仿真分析。

天线受到的载荷主要有基础框架自身的质量、相控阵阵面的质量、波控机箱的质量（100 kg）、光端机的质量（10 kg）和风载荷。为了减小模型的计算量，对相控阵阵面模型进行简化，将阵面内安装的移相器、输入单元、辐射单元等器件去掉，仿真时在阵面中间加入这些被去掉的器件质量（150 kg）。天线倾斜0°时，风载荷（180 kg）主要作用在天线的侧面，天线倾斜60°时，风载荷（1 152 kg）主要作用在天线的正面。设计要求的风速为40 m/s，风载荷按公式（1）计算：