轻量化高精度反射面天线保型设计与动静态特性分析

□ 刘健泉 □ 蒋立坤 □ 周书中 □ 王奥雨 □ 胡 静 □ 程志峰 □ 韩贵梅

1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081 2.中华通信系统有限责任公司河北分公司 石家庄 050081

1 研究背景

为满足中低轨道卫星的跟踪需求,测控站天线朝着高精度、轻量化、多频段方向发展。在国外,遥感卫星地面接收站网已规划布局[1-2]。对于测控天线而言,笨重的结构会使天线造价昂贵、功耗严重[3]。因此,在满足精度、动态特性的前提下,应尽可能进行轻量化设计。

在高精度反射面天线研制方面,国内外大多采用钢板焊接中心体、钢制辐射梁、环向拉杆组成天线背架,面板调整支座的位置在特定样板上配焊实现,易产生焊接变形,工艺过程复杂。通过调整支座及螺杆,可以实现多级调整。反射面板采用铝合金板材和Z形筋铆接结构,在铆接过程中贴模性较差,易产生变形,难以达到较高的精度。国内外学者在天线保型设计、力学分析、精度测量等多方面开展相关技术研究[4-6],进一步提高了天线的指向稳定性和跟踪性能。

基于测控需求,笔者研制了一款轻量化高精度反射面天线,通过三自由度调整方法、天线反射体轻量化技术、基于面板整体互连的结构保型技术,有效减轻了天线反射体的整体质量,达到了较高的主面再装精度。基于有限元软件对天线反射体进行动静态特性分析、面形精度分析,结果表明天线主面精度及承载能力均满足要求。经过现场电气测试,天线的主面精度、增益,以及系统地面站性能指数均满足要求。

2 天线反射体主要性能指标

天线反射体的主要性能指标中,工作频率下行为19.2 GHz～21.2 GHz,上行为29 GHz～31 GHz,天线直径为6.2 m,天线反射体质量不大于1 t,主面精度不低于0.3 mm,天线固有谐振频率不低于5 Hz,接收天线增益不小于59.4+20lg(F/19.2)dBi,发射天线增益不小于63.4+20lg(F/29.0)dBi。在晴空,微风,环境温度为-20～60 ℃,仰角不小于20°的情况下,地面站性能指数不低于33.5+20lg(F/19.2)dB/K。F为天线工作频率。

3 天线反射体结构

6.2 m天线反射体的整体结构如图1所示,主要由反射面单元、反射体骨架、副反射体、馈源网络及支撑、根部面板调整组件、外侧面板调整组件组成。

▲图1 6.2 m天线反射体整体结构

每个反射面单元独立与天线背架相连接,具有调整功能,可准确调整和固定反射面单元的位置,保证反射面单元的整体安装精度。反射面单元主要由蒙皮、根部面板预埋件、外侧面板预埋件组成,由碳纤维材料加工而成。每块扇形反射面的制造精度均不低于0.1 mm,总装后的反射面精度不低于0.3 mm。反射面单元结构如图2所示。

反射体骨架由桁架支撑及16根主拉杆组件组成。开放的桁架支撑结构由中心支筒、加强圈、立筋、连接法兰组成,显著特点是刚性好,外形美观,易于表面防腐处理。桁架支撑结构如图3所示。主拉杆组件由主拉杆、上接头、下接头组成,采用碳纤维材料制成。主拉杆组件将中心体下端面与面板相连,质量轻,外形美观,为反射面主面提供支撑。主拉杆组件结构如图4所示。

▲图2 反射面单元结构

▲图3 桁架支撑结构

▲图4 主拉杆组件结构

4 天线主面精度调整

基于摄影测量结果,通过根部面板调整组件的长圆孔进行法向调整,通过与根部面板调整组件相连的内侧组合垫进行径向调整,通过外侧面板调整组件的长圆孔进行法向调整,通过外侧面板调整组件的中心组合垫进行周向调整。根部面板调整组件结构如图5所示,外侧面板调整组件结构如图6所示。

反射面主面精度粗调时,天线反射体安装到位,在外侧第一圈面板调整组件及外侧第二圈面板调整组件位置附近增加工装支撑,主拉杆组件安装到位后螺钉固定,根部面板调整组件及外侧面板调整组件依次安装到相应位置后由螺钉固定,进而确定反射面的相对位置。

▲图5 根部面板调整组件结构

▲图6 外侧面板调整组件结构

反射面主面精度精调时,根据摄影测量结果进行调整,直到初始状态,即朝天状态下主面精度达到0.2 mm的要求。反复拆装几次,直到再装精度达到0.3 mm的要求。在主拉杆组件与桁架支撑连接位置、主拉杆组件与主反射面单元连接位置、外侧面板调整组件相应位置由螺栓定位、螺钉固定,完成主面精度的精调。

主面精度调整流程如图7所示。

5 技术创新点

(1)三自由度调整。半封闭的面板调整组件可以实现主反射面位姿的径向、周向及法向调整,方便快捷。面板调整组件中的系列组合垫具备互换性,可提高调整效率。

(2)天线反射体轻量化设计。开放的桁架支撑及可调节碳纤维主拉杆组件构成天线反射体背架,极大简化了天线背架的设计,并有效减轻了天线反射体的整体质量。

(3)天线反射体保型设计。面板调整组件使反射面实现整体互连,比刚度大,保型性好。面板调整组件直接与面板预埋件相连接,省去配焊工艺流程,提高位置精度。

▲图7 主面精度调整流程

6 静态特性分析

以ANSYS有限元分析软件为平台进行天线反射体承载结构的有限元分析。通过APDL软件建立有限元模型,对天线反射体的整体结构施加耦合,进行刚度强度特性分析、主面精度分析、安全性校核,得到典型俯仰角下的天线精度及承载能力。

主拉杆组件和天线反射面主面材料为碳纤维,反射面副面材料为铝,其余构件材料均为钢。计算模型中单元使用情况见表1。

表1 计算模型中单元使用情况

添加约束与耦合后,有限元模型如图8所示。

实际工程中,风载荷的计算公式为:

Fx=CxAQ

(1)

Fy=CyAQ

(2)

▲图8 有限元模型

式中:Fx为迎风阻力;Fy为横向阻力;Cx为迎风阻力因数;Cy为横向阻力因数;D为天线直径;A为天线口径面积;Q为风压。

对于保型设计,面精度是吻合后位移的均方根值。文献[7-8]对标准抛物面天线的最佳吻合抛物面进行研究,方法虽有不同,但最终的吻合精度基本一致。设计抛物面与最佳吻合抛物面如图9所示。

▲图9 设计抛物面与最佳吻合抛物面

根据天线使用的环境,分别选取俯仰角为0°、45°、90°工况对天线进行刚度强度分析、主面精度分析,载荷为自重+8级风,风速为21 m/s,考虑天线反射体正吹、侧吹、背吹的情形。

由焦距误差引起的反射面焦点变化误差为:

(3)

式中:Δf为焦距误差;α为俯仰角;ΔX1、ΔY1、ΔZ1依次为由焦距误差引起的反射面焦点在X、Y、Z方向的位移变化量。

由俯仰角变化引起的反射面焦点变化误差为:

(4)

式中:θy为俯仰角变化量;ΔX2、ΔY2、ΔZ2依次为由俯仰角变化引起的反射面焦点在X、Y、Z方向的位移变化量。

由方位角变化引起的反射面焦点变化误差为:

(5)

式中:θz为方位角变化量;ΔX3、ΔY3、ΔZ3依次为由方位角变化引起的反射面焦点在X、Y、Z方向的位移变化量。

由发射面顶点变化引起的反射面焦点变化误差为:

(6)

式中:ΔXv、ΔYv、ΔZv依次为反射面顶点在X、Y、Z方向的位移变化量;ΔX4、ΔY4、ΔZ4依次为由反射面顶点变化引起的反射面焦点在X、Y、Z方向的位移变化量。

根据式(3)～式(6),得到最佳吻合抛物面焦距和无变形理论抛物面的误差公式为:

(7)

式中:ΔX5、ΔY5、ΔZ5依次为最佳吻合抛物面的焦点在X、Y、Z方向的位移变化量。

通过对变形数据的分析,选取俯仰角45°为预调角进行最佳吻合抛物面数据处理,进而得到俯仰角为0°、45°、90°时的结构变形、最大应力、主面均方根精度分析结果,依次见表2、表3、表4。

表2 俯仰角0°时分析结果

表3 俯仰角45°时分析结果

表4 俯仰角90°时分析结果

由表2～表4可知,俯仰角为0°,风速为21 m/s,正吹时变形最大,最大变形量为1.743 mm,满足要求。俯仰角为45°,风速为21 m/s,正吹时应力及主面精度最大,最大应力σ为27.36 MPa,最大主面精度为0.081 4 mm,满足要求。

限于篇幅,仅给出俯仰角为0°,正吹时的位移与应力云图,分别如图10、图11所示。

▲图10 俯仰角0°正吹时位移云图

▲图11 俯仰角0°正吹时应力云图

7 动态特性分析

结构模态分析是动态特性分析的一种方法,目的是为类似反射面的动态优化设计提供理论依据。为避免天线结构的固有频率落在伺服带宽范围内,提高天线的指向精度,必须使天线结构系统拥有较高的最低固有频率[9]。

基于振动理论,天线系统承载结构振动的动力平衡方程为:

(8)

对于无阻尼模态分析,式(8)中C和F(t)为零。此时,天线系统结构振动的动力平衡方程简化为:

(9)

对于线性系统,式(9)的解为:

X(t)=φicos(ωit)

(10)

式中:ωi为与第i阶模态相对应的固有频率;φi为与第i阶模态相对应的振幅。

将式(10)代入式(9),得:

(11)

对式(11)进行求解时,在各节点振幅φi不都为零的情况下方程有解,式(11)的系数行列式等于零,即:

(12)

假设天线系统的质量矩阵和刚度矩阵都是n阶方阵,则式(12)为n次代数方程组。解式(12)得到天线系统的n阶固有频率后,代入式(11),最终得到与n阶固有频率对应的振幅φi。

由此可见,求解某个系统的各阶固有频率和与之相对应的各阶振型,可以归结为求解结构振动微分方程的特征值与特征向量。

基于ANSYS软件进行模态分析,得到天线在不同俯仰角时的结构谐振频率。天线在不同俯仰角时的结构前四阶固有频率见表5,俯仰角为45°时的天线反射体振型如图12所示。

表5 天线结构固有频率

在俯仰角为45°时,天线反射体的一阶振型为反射面主面的上下振动,天线反射体的二阶振型为反射面主面的前后振动,天线反射体的三阶振型为副面支杆的前后振动,天线反射体的四阶振型为副面支杆的左右振动。

经过计算分析,整个天线系统的一阶固有谐振频率为9.716 Hz,确认结构设计合理可行,满足性能设计指标。

▲图12 俯仰角45°时天线反射体振型

8 天线主面精度测试

对天线反射面主面进行精度测试,天线整体实物如图13所示。

▲图13 天线整体实物

对于大中型天线反射面的测量,目前常用的方法主要包括数字近景摄影测量法、激光跟踪仪测量法、双电子经纬仪测量法、射电全息术法等[10-12]。

笔者在六杆Ka频段6.2 m天线项目中进行实测,主面精度为0.278 mm,不同俯仰角时主面精度见表6。

表6 主面精度测试结果

限于篇幅,仅给出俯仰角为45°时的主面精度数据点云分布和统计结果,如图14、表7、表8所示。表8中,Σ为测试点均方根偏差。

▲图14 主面精度数据点云分布

表7 主面精度数据点云统计结果

表8 主面精度数据点云点数

9 系统指标实测

经过现场测试,天线系统的增益、噪声温度、第一旁瓣、差波束零深均满足性能设计要求。与伺服分系统配合,天线系统在典型频点20.68 GHz的方位、俯仰和差测试方向图分别如图15、图16所示。

10 结束语

笔者通过保型设计,实现了一种新型轻量化高精度反射面天线,满足测控站轻量化、高精度、过顶跟踪的要求。主要的技术创新点是基于半封闭的面板调整组件,实现反射面主面位姿的三自由度精度调整;基于开放的桁架支撑及可调节碳纤维主拉杆组件结构,在满足比刚度要求的前提下减轻了天线反射体的整体质量;采用面板调整组件使反射面实现整体互连,实现天线反射体的整体结构保型精度。

▲图15 方位和差测试方向图

▲图16 俯仰和差测试方向图

从天线发射体的主面精度标校结果和天线系统现场对星电气测试与实际跟踪效果来看,天线反射体具有优良的性能,可以实现中低轨道卫星的高精度过顶跟踪。