某球面阵列天线结构设计*

陈应春，宋晓斐

（1. 南京恩瑞特实业有限公司，江苏南京 211106；2. 南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

引 言

相控阵天线扫描速率高，波束方向改变速度快，目标信号测量精确度高于机械扫描天线，这些优点使得相控阵天线的研究和应用得到了巨大的发展[1-2]。目前，相控阵天线主要为平面阵布局形式，这种形式在结构上存在扫描角度小、空间利用率低等问题。

球面阵列天线具有半空间甚至全空间波束扫描能力[3-4]，可以有效克服平面阵列天线扫描角度小的问题。另外，球面阵列天线安装在球形天线罩内部，能够更好地利用球罩内部空间，在同样大小的空间内与平面阵列天线相比能布置更多的天线单元，因而能提高天线阵面的性能。因此，研究球面阵列天线结构形式具有极强的理论和工程实践价值，关系到天线的工程实现方式，更影响到天线的生产成本。

本文分析了球面阵列天线的结构设计需求，根据其结构特点，提出了一种新的天线阵面结构布局方案，并给出了天线阵面主要部件，如阵面骨架、天线子阵、天线单元等的设计思路。同时对阵面骨架进行了力学分析，初步验证了天线阵面结构设计的合理性。

1 球面阵列天线结构设计需求

根据电讯总体的要求，天线阵面球径约为2 m，主要包括几百个天线单元、若干个多边形子阵、各种电模块、阵面骨架、天线罩等。天线阵面的结构设计需要重点考虑以下几个方面：

1）天线阵面安装在车载平台上，其最大球径不得超过车辆运输的最大宽度（2.5 m），要在此空间范围内尽量多地布置天线单元，实现天线阵面性能的最大化；

2）天线阵面无需方位转动和俯仰转动就可实现全空间波束覆盖；

3）天线阵面尺寸较大，很难采用整体加工方法制作阵面骨架，需要特殊的拼装结构组成一个球面骨架；

4）将纯球面阵结构转化为易于实现的多平面式球面阵结构，提高球面共形相控阵天线的可生产性[5]；

5）多边形子阵数量众多，在结构设计时，需要尽量减少子阵规格，规划子阵中天线单元的排布，节约生产成本，缩短生产周期；

6）天线阵面内部留有人员操作空间和维修口，方便人员进出阵面内部和维护阵面内部器件；

7）阵面骨架结构刚强度要求为阵面骨架结构在1 500 kg（天线阵面质量）载荷和自身重力载荷作用下不被破坏且变形尽量小；

8）天线阵面的结构形式便于整体吊装。

2 球面阵列天线结构布局

某球面阵列天线（图1）安装在车载平台上，实现对通信卫星的实时跟踪，其稳定的波束切换特性为无线通信提供了保证。该天线无需方位转动和俯仰转动就可实现全空间波束覆盖。天线阵面上部为球形，采用富勒烯结构中的C60形式将多个五边形子阵、六边形子阵和梯形子阵拼装成球体；天线阵面下部为圆柱形，由多个矩形子阵拼装成圆柱体；天线阵面底部为阵面底框，底框四周设置有吊装接口，用于天线阵面的整体吊装；天线阵面的外部安装天线罩，保护天线阵面。

图1 天线阵面结构示意图

各个子阵均由天线单元、射频接收模块、数字预处理模块等组成，安装在阵面骨架上。阵面骨架安装在底框上。底框上设置有维修口，方便人员进出阵面内部和维护阵面内部器件。另外底框上设置有天线阵面的各种对外接口，用于天线阵面和外部设备的信号传输。天线阵面内部还装有时频分机、电源分机、数字波束形成（Digital Beam Forming, DBF）模块、嵌入式空调等设备，阵面内部布局如图2所示。

图2 天线阵面内部布局示意图

3 球面阵列天线结构设计

本文根据球面阵列天线结构设计需求，针对结构设计难点，仅对阵面骨架、天线子阵、天线单元和阵面吊装进行叙述。

3.1 阵面骨架

阵面骨架是天线子阵的安装载体，作为整个天线阵面的主要承力部件，它既要保证天线阵面在使用环境下结构不被破坏，又要确保天线阵面能够保持高精度的电讯性能[6]。由于球面阵列天线的结构相比于其他形式的天线阵面更加复杂，天线单元分布形式更多，天线单元安装固定更加困难，天线单元之间的位置精度更难控制，因此需要将难以加工和装配的纯球面阵结构转化为易于实现的多平面式球面阵结构，提高球面相控阵天线的可生产性。

阵面骨架采用富勒烯结构中的C60形式将多个五边形面和六边形面拼装成球面，实现球面的多平面化，使得天线单元的安装固定更加简单，天线单元的位置精度更容易保证，也使球面相控阵天线的可生产性更好，降低了生产和装配成本。阵面骨架采用桁架拼装结构，主要由各种机加工杆件和杆件接头组成，通过相互螺栓连接的方式组成具有一定功能的球面式相控阵天线框架结构，如图3所示。杆件和接头均采用厚铝板或铝棒加工而成，重量较轻，刚度很好，其上有子阵的定位基准和安装接口。

图3 阵面骨架结构示意图

3.2 天线子阵

球形天线阵面由若干个天线子阵拼装而成。天线阵面上部为球形，采用富勒烯C60结构形式将多个五边形子阵、六边形子阵和梯形子阵拼装成球体，其中梯形子阵由六边形子阵演化而来，保证球面部分的完整性。天线阵面下部为圆柱形，由多个矩形子阵拼装成圆柱体，如图4所示。天线子阵由多个天线单元、反射板、射频接收模块、数据预处理模块等组装而成，每个子阵上的天线单元都按照一定的规律布置在子阵的反射板上，子阵内天线单元之间的位置关系根据反射板上的销孔定位实现，不同子阵之间的位置关系依靠阵面骨架上的定位面保证。反射板背部安装有射频接收模块和数据预处理模块，相互间通过销子定位，保证安装位置精度，各模块连接器通过盲插互联，连接可靠，便于维护。

图4 子阵布局结构示意图

3.3 天线单元

天线单元采用微带贴片结构形式，与其他天线结构形式相比，它具有剖面薄、体积小、重量轻等特点，其结构可以与载体表面形成共形结构，易于实现阵面的“轻薄化”[7]。天线单元主要由上偶极子贴片、下偶极子贴片、同轴电缆、塑料支撑柱、金属底板等组成。上偶极子贴片与同轴电缆的内导体电连接，下偶极子贴片与同轴电缆的外导体电连接，偶极子贴片上下错开，满足等幅、正交、相位差90°的条件，实现圆极化，如图5所示。

图5 天线单元结构示意图

3.4 阵面吊装

球形天线阵面的吊装方式关系到运输、架设、测试等的方便性，吊点的设置也会影响天线阵面的具体结构设计。在天线阵面的底框四边设置8个吊装孔，用来安装吊环，可以对天线阵面进行整体吊装，见图6。

图6 天线阵面吊装示意图

4 阵面骨架的力学分析

球形天线阵面有天线罩保护，不会直接受到风力的影响，而且自身也不存在方位和俯仰的转动，因此球形天线阵面在工作中只受到自身重力载荷的作用。为了验证球形天线阵面在自身重力载荷作用下能够正常工作且不破坏，需要对阵面骨架结构的刚度和强度性能进行分析和评价，为天线阵面结构的设计和改进提供技术依据。

4.1 有限元模型的建立

本文采用HyperMesh软件建模，采用ANSYS软件计算分析。建模所涉及的材料及其参数见表1。

表1 材料参数

4.2 阵面骨架结构刚度分析

阵面骨架结构在1 500 kg（天线阵面质量）载荷和自身重力载荷作用下的三向综合变形如图7所示。由图7可见，阵面骨架上部结构的变形较大，局部最大变形约为2.63 mm，满足天线阵面结构刚度要求。

图7 阵面骨架结构的三向综合变形

4.3 阵面骨架结构强度分析

阵面骨架结构在1 500 kg（天线阵面质量）载荷和自身重力载荷作用下的的应力分布如图8所示。由图8可见，最大应力发生在连接接头处，约为35.3 MPa。

图8 阵面骨架结构的应力分布图

从材料手册中查得5A05铝材（铝镁合金）的屈服强度σ0.2≥125 MPa，安全系数ns可取1.5，许用应力[σ] =σ0.2/ns= 83.3 MPa。阵面骨架中铝材结构承受的最大应力小于铝材的许用应力[8]，满足天线阵面结构的强度要求。

5 结束语

本文根据球面阵列天线结构设计需求，采用富勒烯结构中的C60形式将纯球面阵结构转化为易于实现的多平面式球面阵结构，提高了球面阵列天线的可生产性。在此基础上提出了一种新的天线阵面结构布局方案，并给出了阵面骨架、天线子阵、天线单元等的设计思路，可为其他类似球面阵列天线的结构设计提供理论参考。本文针对球面阵列天线结构仅仅做了总体布局的规划，后续还需要对阵面骨架、天线子阵等开展进一步研究。