太赫兹冰云成像仪结构设计及耦合分析*

葛如飞，李孚嘉，钱志鹏，黄佳雷，李宁杰

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

引 言

太赫兹微波成像仪可在低能见度的黑夜正常工作，对云雾、烟尘和雨雪等物质穿透力极强，可提高天气分析、预报精确度，并为极端天气预警、人工影响天气和航空气象等服务[1-2]。成像仪主要用来观测上对流层冰云，不同频率对不同大小粒子的响应程度不同，通过反演可得到冰水路径和冰粒子尺寸。成像仪在轨全天时、全天候工作，共有2种可选工作模式：在轨工作模式和定点工作模式。该成像仪的探测频率达664 GHz，我国目前在轨的卫星尚无该频段的探测仪。

瑞典研发的SIW探测器的工作频率最高达到657 GHz，主要用于测风[3]。日本研制的SMILES探测器在638 GHz的基础上增到2.06 THz，可将大气风场的观测范围拓展到160 km[4]。国内太赫兹探测研究和应用起步较晚，2008年“风云三号”气象卫星携带的微波温度计的工作频率达到60 GHz，量温灵敏度达到0.4 K，微波湿度计工作频率达到191 GHz，量温达0.91 K[5]。文献[6]主要研究了太赫兹临边探测仪探测大气风场的能力，发现658 GHz频段适用于流层和中间层的风场测量，但未建立针对冰云的反演算法。

本文为满足高频探测任务要求，对成像仪的结构设计提出了较高要求，主要包括载荷支撑结构设计、天馈子系统结构设计以及电子单机结构布局。此外，还需要设计高精度的装调与测量方法保证电性能指标。在发射阶段探测仪系统需要承受加速度过载、随机振动等工况，同时成像仪所受的外热流复杂，要及时排除大功耗单机开机时产生的热耗，保证组件的温度一致性从而保证探测精度[7-8]。还要保证热变形不影响成像仪在复杂环境下的电性能。针对以上问题，本文对成像仪系统开展力热耦合分析，并对天馈系统的电性能指标进行了有效验证。

1 结构设计

1.1 安装位置

如图1所示，成像仪安装在卫星+Z对地舱板中间区域，位置靠近-Y侧，采用隔热板与舱板隔热安装。太赫兹冰云成像仪本体尺寸为501 mm×385 mm×389 mm。

图1 卫星发射状态载荷安装位置示意图

1.2 产品结构设计

成像仪主要由天馈子系统和电单机两部分构成。天馈系统由偏馈抛物面天线、极化栅网、馈源喇叭1和馈源喇叭2组成。电单机部分包括射频前端1和2、信息单元以及中频接收机。其整体结构设计如图2所示，其中偏馈抛物面天线后端面与步进电机输出法兰端面固定，并通过电机驱动天线旋转完成扫描动作。

图2 天馈子系统与单机结构布局

此外，考虑热控需求，设计天线反射面遮光罩，避免太阳光照射使天线反射面变形。极化栅网可对微波信号进行过滤，筛选信号给馈源喇叭。该成像仪具有2个频段，故设计有接收机前端1和前端2进行信号分析。馈源喇叭都与前端接收机集成，并通过支架安装在底板上。

载荷成像波段频率大于600 Hz，在太赫兹频段内传统波导损耗较大，故馈源喇叭尺寸很小。因此，主要是天馈系统多个器件的安装加工精度要求极为苛刻，其相对位置对系统总体性能（如波束偏向和主波束效率等）有重要影响，需对天线系统结构设计以及装调精度提出较高要求。设计要求的天馈子系统各部件的位置精度为：位移变化量0.04 mm，转角变化量0.02°，驱动机构安装端面的平面度优于0.05 mm，粗糙度优于3.2 μm，故驱动机构、接收机通过铝合金支架间接安装在底部15 mm厚的铝蜂窝底板上。为满足指标要求，安装要求栅网通过压块压紧，安装在栅网支架上。栅网上有4个销钉孔，通过销钉配合可保证安装角度。在铝蜂窝底板上设计铲刮片，配合定位将极化栅网与前端单机安装支架销精准安装在底板上。此外，信息单元结构框采用铝合金且尺寸较大，安装于铝蜂窝底板上。受载荷内部空间限制，中频接收机安装在侧板上。

主支撑结构为铝蜂窝底板，如图3所示。该铝蜂窝板由铝蜂窝结构、铝蒙皮、预埋件和铲刮片组成。

图3 铝蜂窝底板

铝蜂窝底板安装孔为8个用于安装M6螺钉的沉头通孔，安装脚厚5 mm。两个前端单机热耗较大，热控设计要求底板预埋两根热管进行主动散热，蜂窝板底板下方安装3块环氧玻璃布压层板作为隔热板，与整星隔热安装，保证载荷内部热控不受星体温度变化干扰。考虑到成像仪减重要求，-Y面侧板和±X面侧板采用铝合金蜂窝板结构，+Y面侧板及+Z面侧板采用铝合金2A12加工。

2 力学分析

针对太赫兹冰云成像仪的结构设计进行相应的力学分析。通过模态分析、正弦振动分析和随机振动分析确定太赫兹冰云成像仪结构方案的可行性。根据成像仪的结构特点，对模型进行简化处理。所有结构组件均采用体单元划分。材料性能参数见表1。

表1 材料力学性能参数

模态分析时固定底面侧边，不加任何载荷，对设备进行模态求解，前6阶固有频率见表2。由表2可知，载荷结构刚性较好，基频较高，为117.2 Hz。正弦振动试验条件按准鉴定级要求，频率范围分别为5～15 Hz和15～100 Hz。本文采用以加速度表示的幅值，可将位移幅值转换为加速度幅值，将振动谱分别加在支耳的X,Y,Z方向时进行求解，得到整个载荷加速度响应。图4为Y向加速度响应云图。

表2 前6阶固有频率

图4 载荷Y 向加速度响应云图

峰值应力在Y向最大为69.35 MPa，故此处最大应力均小于铝合金材料的屈服应力。可据此判断3个方向正弦振动时该设备安全。

把振动谱分别加在支耳X,Y,Z方向进行求解，可以得到整个载荷的均方根加速度响应云图和均方根应力云图。X,Y,Z三个方向的均方根应力分别为13.31 MPa，17.25 MPa和9.23 MPa，其中在Y方向上结构振动响应最大，最大应力值均小于材料的屈服极限。因此可判定随机振动时虽然振动较剧烈，但结构不会被破坏，该设备能够承受随机振动的考验。

3 热变形对电性能的影响分析

为分析天馈系统在轨受热变形带来的影响，选取低温工况和高温工况两种极端条件进行结构仿真。在高温工况下，各组件中天线反射面的最高温度达到55.12°C，反射器的在轨温度范围为38.1°C～55.12°C。

由仿真结果可知，由于成像仪外罩直接受到太阳照射，因此其在轨热变形最大达到0.291 mm。在低温工况下，外罩收缩导致变形主要沿-X和+Y方向，受此影响，天线总体沿+Y方向变形。在高温工况下外罩膨胀主要沿-X和-Y方向。最后一个轨道周期内天馈系统中的天线、栅网以及喇叭的偏移量变化曲线如图5和图6所示。天线发射面暴露在环境中，在设计有遮光罩的情况下其变形量相对较大，在高温工况下其最大变形量达到0.084 mm。

图5 低温工况下最后一个轨道周期内部件偏移量变化曲线

图6 高温工况下最后一个轨道周期内部件偏移量变化曲线

天馈子系统是冰云成像仪的重要组成部分，因此天馈性能好坏直接影响成像仪的主波束效率、灵敏度、定标精度等重要指标。天馈系统由抛物面天线反射面、极化栅网以及馈源喇叭组成。它需要满足的电性能指标见表3。

表3 冰云成像仪天馈电性能指标

为准确评估天馈系统结构热变形对其电性能的影响，选取由极端工况导致的部件最大相对偏移，将镜面热形变数据、栅网位移数据以及馈源位移数据代入Grasp，叠加至原始理想镜面上，即可得到热形变镜面结构。Grasp系统仿真结构如图7所示。

图7 Grasp系统仿真结构图

在理想条件及两种极端工况下，部件最大偏移形变条件下的电性能对比见表4。其中主波束效率η为主波束角度范围内方向图功率与总方向图功率之比[9]，通过以下公式计算得到：

式中：U(θ,Φ)为辐射强度，θ和Φ为辐射场所在球面坐标系坐标；θ0为主波束角度。

仿真结果见表4。由表4可知，天馈系统在低温工况下受到的影响最大，对波束指向影响不超过0.034，主波束效率改变量较小，波束宽度受热变形影响可忽略，依然满足系统电性能指标要求。

表4 理想条件与两种极端工况下部件最大偏移形变条件下的电性能对比

4 结束语

本文对太赫兹微波探测仪系统进行了详细的结构设计，主要包括天馈子系统、定标子系统、接收机和信息单元的结构布局。首先通过建立微波探测仪有限元模型进行了力学分析，结果表明，各个工况下的最大峰值应力均小于材料的屈服应力，载荷结构设计能够经受地面试验、测试、发射及在轨运行期间遇到的力学环境。其次根据卫星轨道计算得到成像仪的温度场数据，采用耦合分析的方法将由热变形引起的位移变化代入Grasp系统仿真，合理验证了结构热变形对天馈系统电性能的影响，结果表明电性能变化在系统指标范围内。故该设计方法可为此类微波探测仪设计提供参考。