地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望.pdf
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1、天线阵面精度保证技术是实现地面相控阵雷达系统性能稳定可靠的关键技术之一 本文着力于装备研制和使用的全生命周期分析了天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度监测补偿等全流程的核心技术应用现状最后展望了该技术的未来发展方向 本文将为地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术的深入研究和工程应用提供新的思路和有益借鉴关键词:天线阵面精度保证全生命周期中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:李敏 地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望 火控雷达技术():/():.:引言地面相控阵雷达具备反应时间短、波束控制灵活、多目标处理等特点已成为国防领域中不可或缺的核心装备之一其天
2、线阵面由若干阵元构成阵元的安装位置固定是一个涵盖了电磁场、热力学、机械设计等多种学科的复杂机械电子系统该系统通常在复杂、多变的环境下工作天线阵面的设计、加工、装配、测量、使用过程中的自重、振动、风载、温度等全生命周期各环节产生的偏差均会引起辐射信号的相位误差进而影响雷达天线波瓣增益、波束指向精度等关键技战术指标 因此控制和保证天线阵面的设计精度和平面度已成为关键技术之一其水平直接决定雷达系统性能和可靠性针对该问题国内外学者进行了大量研究文献火 控 雷 达 技 术第 卷数量众多为提升雷达系统性能起到了推进作用但大部分偏重于研究单一环节的精度最优和性能保证本文将着力于地面相控阵雷达装备研制和使用环
3、节的全生命周期聚焦阵面精度保证技术重点对天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度检测补偿等全流程的核心关键技术进行综述和分析为该技术的深层次推广和工程应用提供解决方案和有益借鉴 设计仿真评估 阵面总体设计根据地面相控阵雷达装备装载方式和阵面总体设计情况主要分为固定式、机动式、及便携式等类型具体分类如图 所示本文不讨论便携式类型图 地面相控阵装备基于装载方式分类 固定式装备分为完全固定式和方位(或)俯仰可动式 完全固定式装备的天线阵面总体布局一般以设备大楼或天线楼等载体为依托天线阵面安装在载体的斜面上电子设备安装在载体内部 方位(或)俯仰可动式装备的天线阵面和阵面设备一
4、般安装在高精度钢构天线骨架上电子设备安装在骨架内部天线骨架则安装于方位(或)俯仰可调的天线座上 典型的完全固定式装备如国内某大型固定式装备基于钢构骨架阵面口径超过 俄罗斯的沃罗涅日 (增强型)雷达基于米波段的相扫体制完全固定式阵面口径约 典型的方位(或)俯仰可动式装备如美国的 、等装备采用 频段相扫和机扫相结合阵面口径约 在阵面总体设计时为满足系统架构和结构布局、尺寸精度、环境适应性、维修性、包装、运输、吊装等需求需将天线阵面合理分块形成子阵简化和规范子阵外部电讯和结构接口形式每个子阵都具备完整的结构和电讯性能可独立工作作为阵面可更换基本单元机动式装备分为单车机动式和多车机动式 在机动运输、部
5、署能力和战场生存能力等需求下其天线阵面的结构布局和工艺实现是关键工程技术之一 特别是针对大口径车载天线阵面的机动运输问题通常采用天线俯仰实现工作状态和运输状态间的快速转换以解决运输界限中的限高问题采用天线阵面折叠实现天线阵面展开和收拢以解决运输界限中的限宽问题 因此机动式装备的研究覆盖了单车单阵面、单车多阵面到两车集成、多车自动对接等热门方向 文献选择单车单阵面形式采用整体框架式骨架天线阵面尺寸为 (方位)(俯仰)文献与整体框架式不一样其单阵面由 节塔天线背架和 根离散的行线源组成工作时天线阵面口径 运输时则通过收拢机构把展开高度达 的天线阵面沿高度方向收拢到 满足运输限宽要求 文献研究单车双
6、阵面形式阵面由 路裂缝线源组成每根线源长度 由上、下骨架组成 某三坐标雷达天线阵面折展机构由三个部分组成两翼通过旋转铰链与中间单元铰接运输时两翼通过铰链与中间单元折叠通过适当地设置铰链尺寸位置使阵面之间存在适当的间隙避免损坏阵面 在多车多阵面对接方向文献提出了阵面主块安装于转台且由天线车运输边块另外采用天线运输车辆进行运输的方案同时采用楔形曲面定位连接技术实现天线主块与边块及边块与边块之间的快速拼装 为了进一步提高大口径天线的机动性针对多车的天线快速自动对接突破了数字化自动测量、伺服控制、天线位姿自动调节等关键技术实现固定天线与移动天线的对接精度控制在 以内 多车多阵面分布形式的结构或组成形式
7、较灵活其结第 期李 敏:地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望构及相参的信号处理方式是该体制的突出特点可大大提高系统的抗干扰能力和战场生存力 阵面设计仿真现实工程中天线阵面存在着位移场、温度场、电磁场等多种物理场的作用这些工况相互耦合将导致阵面上天线单元的位置发生偏移或偏转从而影响天线性能 很多学者应用力学、热学、电磁等设计仿真技术通过建立虚拟模型来分析内在规律和验证各种工况在重量、厚度、温度、风载等参数约束下为天线阵面的工程设计和拓扑优化提供了可靠的依据兼顾阵面可设计和可制造性极大的降低了工程研制的风险 文献针对某单车双阵面结构通过力学仿真在最恶劣工况下(自重、正面/风载荷、低温 、高
8、温 )的最大载荷变形量为 (设计指标为)且天线结构刚强度满足设计要求 文献针对阵面结构误差建立了结构与电磁耦合模型仿真计算得到阵面结构误差对天线增益的影响与天线阵面大小无明显关系/为满足天线电性能时的结构误差临界值(按增益损失 )天线增益指标受阵面平面度影响很明显阵元安装精度影响相对较小 文献建立了考虑安装误差下的相控阵雷达结构 电磁耦合模型讨论了安装误差、平面度、型面扭曲对相控阵雷达的性能影响安装误差与阵面平面度主要对旁瓣电平造成影响而型面扭曲主要影响雷达增益此外随着阵元数量的增加型面扭曲所带来的影响逐渐减弱 文献分析了波导缝隙相阵天线阵面的平面度误差的影响因素指出了天线性能与误差的均方根值
9、有关而并不决定于个别点的误差最大值即均方根误差指标比各个点处对应的变形量误差更加重要 文献建立了天线阵机电热耦合有限元模型构建了优化数学模型计算调整机构最优调整量并使调整量公差最大化达到改善天线阵电性能、减轻加工安装难度、降低制造成本的目的 过程精度实现目前天线阵面的阵面精度过程实现方法主要有精密加工法、装配调整法和电子补偿法等三大类在精密加工方面天线骨架作为关键结构部件一般采用“金属板材折弯焊接或铆接去应力整体 精 密 加 工 表 面 处 理”的 工 艺 路 线 来 实现大型承力结构件采用热处理等方法充分去除内应力后通过精密加工技术来保证所有装配面和装配接口的尺寸精度和位置精度要求在装配调整
10、方面针对大型固定式装备主要有过渡骨架结构形式和调整机构结构形式前者对载体的建设要求不高但对过渡骨架的要求高需保证制造和复装的精度后续只能通过局部垫片调整的方式精调阵面精度后者对载体的建设要求相对较高但装配和调整难度降低且调整灵活适用于非平面阵面 针对机动式装备某单车双阵面结构通过调整固定在天线框架上的螺柱高度优化天线阵面平面度 多阵面结构的平面度在调整到位后一般采用配做销孔、焊接固定等方式来保证多阵面的重复定位精度 文献给出了一种基于制造测量误差的阵面精度补偿方法工作前利用调整机构使天线阵面产生预变形通过反变形补偿使天线阵面正常工作时变形引起的增益损失最小化在电子补偿方面在装配等环节产生的结构
11、变形基础上获取阵面的变形量通过调整天线单元激励电流的幅值相位来补偿天线阵电参数 文献通过一种补偿阵列天线电流激励幅值的方法改善了单元位置误差引起的电性能恶化问题 文献则对天线阵相位进行校正来改善天线的波瓣图 静态精度测量在过程精度实现过程中需要采用静态、离线精度测量方法进行不同姿态天线阵面精度检测指导阵面精度优化调整 目前天线阵面的平面度测量技术主要有经纬仪、全站仪、工业摄影测量等方法经纬仪测量系统是一种实时、非接触、移动式的大尺寸测量系统在几米至几十米测量范围内的测量精度可达 ()但由于其单点测量效率低(采集 个点)、设站复杂以及对操作人员要求高的特点在相控阵雷达天线阵面测量中有少量应用全站
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