某星载多波束相控阵天线结构设计与分析.pdf
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1、设计 工艺2023 年 6 月第 3 期46某星载多波束相控阵天线结构设计与分析韩博郭睿刘英虎倪涛姚近王敏(中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068)摘要:经过四十多年的发展,星载相控阵天线已成为星载天线领域关键装备之一。本文根据卫星任务需求,设计了一种星载多波束相控阵天线结构。利用 Ansys Workbench 完成天线有限元建模,对天线进行了模态分析以及随机振动、正弦振动仿真,得到了各工况下的天线应力云图和变形云图,结果表明天线结构基频和结构强度均满足抗力学环境设计要求,且两套正样件通过了飞行任务考核,验证了该天线结构设计的可行性和合理性,为今后类似星载多波束相控阵天线结构设
2、计提供了技术参考。关键词:星载天线;多波束相控阵天线;结构设计;有限元分析中图分类号:V19文献标识码:AStructure Design andAnalysis ofASpace-borne Multi-beam PhasedArrayAntennaHan BoGuo RuiLiu YinghuNi TaoYao JinWang Min(20th Institute of Chinese Electronics Technology Company,Xian 710068)Abstract:After more than 40 years of development,space-borne
3、 phased array antennas have become one of the keyequipments in the field of space-borne antennas.According to the assignment of satellite,a space-borne multi-beamphased array antenna structure is designed,and a finite element model of the antenna is established based on AnsysWorkbench.Then the modal
4、 analysis,random vibration analysis and sinusoidal vibration analysis of the antenna areperformed,and the stress cloud diagram and deformation cloud diagram of the antenna under each working condition areobtained.The results show that the fundamental frequency and structural strength of the antenna
5、structure fully satisfiesthe requirements of mechanics environment.And two sets of prototypes have passed the flight mission assessment,which verifies the feasibility and rationality of the antenna structure design.It can be used as guidance for the structuredesign of similar space-borne multi-beam
6、phased array antenna in the future.Key words:satellite antenna;multi-beam phased array antenna;structure design;finite element analysis1 1引言近年来,在各种卫星通信系统中,星载有源相控阵天线的需求与日俱增,且逐渐往高集成性、高节能性、空间环境通用性方向发展1。目前,星载多波束天线在我国低轨卫星星座系统的建设中占据十分重要的地位,而现有星载多波束天线的相关研究主要集中在电气性能的优化设计上,但对于天线的结构设计和力学分析的研究较少26。本文根据卫星任务需求,给
7、出了某星载多波束相控阵天线的结构设计方案,并考虑天线随卫星在火箭发射过程中遇到的复杂力学环境,基于 AnsysWorkbench有限元分析软件对其抗力学环境性能进行了仿真和分析,进一步通过天线单机力学试验和整星力学试验验证了天线结构设计的可行性和合理性。2天线结构设计星载有源相控阵天线通常具有可展开结构。天线作者简介:韩博(1994),工程师,机械工程专业;研究方向:相控阵天线结构设计。收稿日期:2023-05-29设计 工艺航天制造技术47阵面一般包含多个子阵,在卫星发射之前,天线收拢并压紧在卫星舱板;当卫星发射进入预定的轨道,开始工作时,通过展开机构使天线阵面随之展开7。受运载火箭发射平台
8、及装载平台体积限制,如何实现卫星载荷的轻量化已成为研制过程中迫切需要解决的共性问题,而有源相控阵天线其重量通常占到整个雷达载荷重量的 80%以上,因此对其进行重量控制研究显得十分重要8。星载有源相控阵天线作为特殊的舱外安装电子设备,其单元天线的构型以及阵面的排布几乎完全由电尺寸决定。在满足电尺寸的前提下,由于天线在随卫星升空过程中,会受到较大的振动与冲击7。因而在设计时应充分考虑整体刚度,选取比刚度(E/)值较大的材料;(在满足材料要求且相关工艺可行的条件下,尽可能采用薄壁结构,减小本体尺寸,减轻整体重量,提高结构件整体刚度,同时应避免与形体结构及部件的基频耦合,综合考虑需要做到体积小、重量轻
9、、刚度好及加工、安装工艺性能良好。2.1天线设计要求根据航天器任务需求,某星载多波束有源相控阵天线为展开式干涉测高天线,是我国首次将基于全球卫星导航定位系统信号的有源相控多波束体制用于地理信息测绘,也是该技术的国际首次工程应用。该天线需同时独立覆盖上下两个空域,使用单一天线阵无法达到要求,需要采用双天线阵面形式;与此同时,为了减小系统的探测误差,需尽可能地降低天线阵面的整体高度,将上下阵面背靠背集成,对天线进行平面化、一体化设计;为满足高增益天线阵面需求,意味着天线口径面积增大,通道数量、设备复杂度、重量和成本都会成倍增加,综合考虑,在设计时需要对天线整体结构进行优化设计,尽可能减轻重量设计;
10、为提高天线相位中心稳定度,保证天线阵面的结构对称性,使对称区域天线单元具有互换性,安装方便、可靠,天线阵面结构需布局合理;作为舱外星载可展开天线,在设计中必须满足星载平台的使用需求,包括结构强度、结构基频、温度变化等。天线阵面的材料和相关工艺均选取具有飞行先例的成熟材料和工艺。强度和结构也依据实际环境进行严格仿真,保证整个天线的环境适应性。同时,该天线还需满足表 1所示技术指标。表 1主要设计技术指标重量/kg长度/mm宽度/mm厚度/mm收拢态基频/Hz展开态基频/Hz55200010001005012.2天线结构组成某星载多波束有源相控阵天线主要由两组天线单元(上下面各45个)、波束合成网
11、络(1个)、开关放大组件(45个)、45根多芯电缆及90根射频电缆构成的线缆组、线缆压条、双阴射频连接器(45个)、天线阵面框架(1个)、压紧装置(5个)、展开机构组成,如图1所示。其中,每个天线单元重约260g,波束合成网络重约6kg,开关放大组件重约50g,天线框架重约23kg,天 线 总 重 约 51kg,天 线 本 体 尺 寸 为1688mm1196mm125.5mm。图 1天线组成示意图其中两组天线阵面各45个单元分别安装在主框架正反两面,45 个开关放大组件安装在框架内背靠背的2 个单元天线之间,每一个组件分别对应 2 个天线单元。为解决天线阵面线缆布线及组件与天线单元电连接问题,
12、提出了一种基于 SMA 双阴射频连接器的盲插设计方法,通过两个双阴连接器分别与框架正反两面的天线单元盲插配合,保障背靠背单元与组件连接可靠性,其连接关系如图 2 所示。图 2天线单元连接关系示意图针对星载有源相控阵天线阵面结构设计难点,同时满足天线重量及星载条件下抗力学环境要求,对天线阵面框架进行了一体化设计,天线框架整体采用铝合金板整体铣削加工成型,框架内加强筋形状与单元天线外形保持一致,整体呈蜂窝状,既减轻了重量又保证天线展开精度及结构强度满足设计要求。框架内部设计有 45 组成阵列分布的开关放大组件安装孔,双设计 工艺2023 年 6 月第 3 期48面背靠背各 45 组成阵列分布的天线
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