平面阵列天线结构轻量化设计分析及优化.PDF

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1、电子设计工程 Electronic Design Engineering 第 26 卷 Vol. 26 第 16 期 No. 16 2018 年 8 月 Aug. 2018 收 稿 日 期 ： 2 0 1 8 - 0 1 - 3 1 稿 件 编 号 ： 2 0 1 8 0 1 1 8 3 作 者 简 介 ： 王 伟 （ 1 9 8 9 ） ， 男 ， 陕 西 彬 县 人 ， 助 教 。 研 究 方 向 ： 机 械 设 计 与 制 造 。 随 着 天 线 通 信 知 识 和 技 术 的 迅 速 发 展 ， 以 及 国 际 上 对 天 线 的 诸 多 研 究 方 向 的 提 出 ， 都 促 使 了

2、 新 型 天 线 的 诞 生 ， 阵 列 天 线 1 就 是 研 究 的 新 一 种 方 向 。 阵 列 天 线 是 一 类 由 不 少 于 两 个 天 线 单 元 规 则 或 随 机 排 列 并 通 过 适 当 激 励 获 得 预 定 辐 射 特 性 的 特 殊 天 线 ， 它 不 是 简 单 的 将 天 线 排 成 我 们 熟 悉 的 阵 列 样 子 ， 而 是 根 据 馈 电 电 流 、 间 距 、 电 长 度 等 不 同 参 数 来 构 成 阵 列 ， 以 获 取 最 好 的 辐 射 方 向 性 。 这 就 是 阵 列 天 线 的 优 势 所 在 ， 可 以 根 据 需 要 来 调 节

3、 辐 射 方 向 性 。 由 天 线 阵 列 所 产 生 的 辐 射 电 磁 场 是 所 有 组 成 该 天 线 阵 的 各 个 单 元 辐 射 场 的 总 和 （ 矢 量 和 ） ， 由 于 各 单 元 的 位 置 和 馈 电 电 流 的 振 幅 和 相 位 相 对 独 立 ， 因 此 均 可 以 独 立 调 整 ， 这 就 使 阵 列 天 线 具 有 各 种 不 同 的 功 能 ， 而 这 些 功 能 是 单 个 天 线 无 法 实 现 的 。 文 中 所 研 究 的 阵 列 天 线 是 以 某 一 工 程 为 依 据 ， 其 阵 列 天 线 的 结 构 形 式 是 由 多 个 直 线 阵

4、 在 一 平 面 上 的 平 面 阵 ， 该 平 面 阵 是 由 1 6 个 4 4 单 元 构 成 。 由 于 该 天 线 工 作 范 围 为 V H F 频 段 ， 其 精 度 要 求 并 不 是 很 高 ， 所 以 为 了 降 低 成 本 ， 该 天 线 的 传 动 系 统 采 用 单 链 传 动 。 单 链 传 动 与 双 链 传 动 相 比 ， 单 链 传 动 负 载 力 矩 明 显 小 于 双 链 传 动 ， 为 了 使 单 链 传 动 满 足 天 线 驱 动 要 求 ， 需 对 阵 列 天 线 反 射 体 进 行 轻 量 化 设 计 ， 并 要 求 阵 列 天 线 反 射 体 满

5、 足 一 定 精 度 要 求 。 1 模型创建 依 据 某 一 具 体 工 程 ， 建 立 4 4 阵 列 天 线 模 型 ， 该 天 线 为 V H F 频 段 ， 天 线 结 构 主 要 分 为 两 部 分 ， 分 别 是 面 阵 反 射 体 和 座 架 ， 其 结 构 形 式 如 图 1 所 示 。 2 面阵反射体分析 面 阵 反 射 体 的 背 架 采 用 桁 架 结 构 ， 其 顶 面 为 5 2 0 0 m m 5 2 0 0 m m 的 正 方 形 结 构 ， 用 于 支 撑 1 6 个 平 面 阵 列 天 线 结 构 轻 量 化 设 计 分 析 及 优 化 王 伟 ， 杨 楠

6、（ 西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 陕 西 西 安 7 1 0 0 2 6 ） 摘 要 ： 本 文 以 平 面 阵 列 天 线 为 研 究 对 象 ， 利 用 有 限 元 分 析 方 法 对 3 组 不 同 截 面 梁 属 性 的 反 射 体 进 行 静 态 分 析 ， 根 据 有 限 元 结 果 初 步 确 定 了 以 组 2 建 立 初 步 模 型 。 随 后 对 组 2 的 局 部 变 形 较 大 的 位 置 进 行 结 构 优 化 ， 并 对 优 化 后 的 模 型 施 加 惯 性 力 矩 再 进 行 有 限 元 分 析 ， 最 终 获 得 了 满 足 相 关 设 计 要 求

7、的 面 阵 天 线 反 射 体 。 对 天 线 的 方 位 和 俯 仰 传 动 链 进 行 了 校 核 ， 确 定 所 设 计 的 面 阵 反 射 体 可 以 满 足 工 程 要 求 。 关 键 词 ： 阵 列 天 线 ； 有 限 元 ； 结 构 优 化 ； 惯 性 力 矩 中 图 分 类 号 ： T N 8 0 2 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 6 7 4 - 6 2 3 6 （ 2 0 1 8 ） 1 6 - 0 1 0 7 - 0 4 L i g h t w e i g h t d e s i g n a n d i t s a p p l i c a t i o

8、n f o r p l a n a r a r r a y a n t e n n a W A N G W e i ， Y A N G N a n （ X i a n R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 0 2 6 ， C h i n a ） A b s t r a c t : T h i s s t u d y i s b a s e d o n p l a n a r a r r a y a n t e n n a ， c o m p a r

9、e t h r e e d i f f e r e n t s e c t i o n b e a m w i t h s t a t i c f i n i t e a n a l y s e s f o r t h e a n t e n n a ， a n d c r e a t e a i n i t i a l m o d e l b y t e a m 2 p a r a m e t e r b a s e d o n F E r e s u l t . T h e n m a k e a o p t i m i z a t i o n d e s i g n t o t h e

10、b i g d e f l e c t i o n p l a c e ， a p p l y a i n e r t i a m o m e n t o n t h e o p t i m i z a t i o n m o d e l a n d m a k e a f i n i t e a n a l y s i s a g a i n ， F i n a l l y ， o b t a i n a s c h e m e m e e t t h e d e s i g n p r e c i s i o n r e q u i r e m e n t s o f p l a n a

11、r a r r a y a n t e n n a . C h e c k t h e a z i m u t h a n d p i t c h i n g t r a n s m i s s i o n s y s t e m t o m a k e s u r e t h e f i n i a l m o d e l c a n m e e t t h e e n g i n e e r r e q u i r e m e n t . K e y w o r d s : a r r a y a n t e n n a ； f i n i t e a n a l y s i s ； o

12、p t i m i z a t i o n s t r u c t u r e ； i n e r t i a m o m e n t - - 107 电子设计工程 2018 年第 16 期 阵 子 单 元 ， 根 据 极 化 方 向 ， 该 正 方 形 桁 架 旋 转 4 5 放 置 ， 反 射 面 精 度 要 求 0 . 8 m m ， 该 天 线 要 求 方 位 和 俯 仰 角 速 度 为 1 5 / s ， 角 加 速 度 为 1 5 / s 2 ， 为 了 降 低 成 本 该 天 线 的 传 动 系 统 采 用 单 链 传 动 ， 因 此 反 射 体 必 须 进 行 轻 量 化 设

13、计 ， 设 计 依 据 为 满 足 天 线 变 形 条 件 的 基 础 上 反 射 体 质 量 最 轻 。 文 中 利 用 A B A Q U S 有 限 元 分 析 2 软 件 的 静 态 分 析 3 方 法 计 算 了 三 组 同 一 背 架 结 构 形 式 ， 但 不 同 梁 截 面 大 小 的 反 射 体 变 形 量 ， 并 根 据 计 算 结 果 确 定 了 面 阵 反 射 体 4 的 组 成 结 构 和 型 材 属 性 。 随 后 结 合 最 大 变 形 发 生 的 位 置 进 行 局 部 加 强 和 优 化 。 2 . 1 材料特性 该 反 射 体 背 架 结 构 采 用 角 钢

14、 连 接 ， 其 材 料 特 性 如 下 所 示 ： 杨 氏 模 量 E X = 2 . 0 6 1 0 5 M P a 泊 松 比 N U X Y = 0 . 3 密 度 D E N S = 7 . 8 5 1 0 - 6 k g / 3 2 . 2 边界条件 桁 架 背 架 上 放 置 1 6 个 阵 子 单 元 ， 每 个 单 元 质 量 8 k g ， 为 了 更 加 准 确 的 将 阵 子 产 生 的 压 力 施 加 到 桁 架 结 构 上 ， 有 限 元 模 型 建 立 时 在 桁 架 上 5 表 面 建 立 一 点 R P - 1 ， 作 为 参 考 点 。 在 A B A Q

15、U S 中 将 该 点 与 桁 架 上 安 装 阵 子 的 位 置 相 耦 合 ， 由 于 整 个 桁 架 上 每 个 阵 子 对 连 接 点 施 加 压 力 产 生 的 变 形 不 是 完 全 相 同 的 ， 所 以 耦 合 方 式 为 分 布 耦 合 。 桁 架 朝 天 姿 态 下 ， 该 点 施 加 F 1 = 1 2 8 0 N 竖 直 向 下 的 集 中 载 荷 ， 从 而 模 拟 阵 子 天 线 对 桁 架 施 加 的 外 载 。 桁 架 除 了 承 受 阵 子 天 线 对 其 产 生 的 压 力 ， 还 受 到 自 身 的 重 力 变 形 ， 其 自 身 重 力 不 能 忽 略

16、， 所 以 在 桁 架 整 个 模 型 上 施 加 g = 9 . 8 m / s 2 的 重 力 加 速 度 。 天 线 工 作 时 通 过 座 架 将 整 个 反 射 体 支 撑 起 来 ， 所 以 在 分 析 反 射 体 时 将 放 射 体 与 座 架 相 连 的 部 分 固 定 。 文 中 采 取 边 界 条 件 定 义 的 方 式 是 将 桁 架 和 座 架 连 接 的 区 域 与 R P - 2 点 相 耦 合 6 ， 并 将 R P - 2 固 定 ， 从 而 实 现 桁 架 边 界 条 件 的 定 义 ， 如 图 2 所 示 。 图 2 边界条件和载荷 2 . 3 结果分析 文

17、 中 的 面 阵 反 射 体 桁 架 由 两 种 型 号 的 角 钢 组 成 ， 其 中 主 要 受 力 框 架 由 稍 大 号 型 角 钢 组 成 ， 记 为 角 钢 1 ， 而 次 要 受 力 连 接 杆 和 阵 列 单 元 安 装 支 架 7 均 采 用 小 一 号 角 钢 连 接 ， 记 为 角 钢 2 。 文 中 模 拟 的 三 组 模 型 见 表 1 所 示 。 表 1 型材规格 组号 角钢 1 角钢 2 组 1 50 50 5 40 40 4 组 2 40 40 4 30 30 3 组 3 30 30 3 20 20 3 首 先 根 据 组 2 的 分 析 结 果 验 证 模 型

18、 的 准 确 性 ， 结 果 显 示 当 桁 架 受 到 阵 子 和 本 身 自 重 的 合 力 作 用 下 8 ， R P - 2 的 支 反 力 为 4 4 9 7 N 。 而 在 三 维 软 件 建 模 时 整 个 桁 架 和 所 有 阵 子 单 元 的 总 重 量 为 4 6 2 . 1 k g ， 理 论 上 施 加 在 R P - 2 的 支 反 力 应 为 4 6 2 1 N ， 有 限 元 分 析 结 果 和 理 论 正 确 值 的 误 差 为 5 . 1 % ， 通 过 这 个 验 证 ， 可 以 确 定 该 有 限 元 分 析 的 建 立 是 准 确 可 靠 的 。 针 对

19、 以 上 3 组 模 型 对 其 有 限 元 结 果 进 行 分 析 ， 组 1 、 组 2 、 组 3 在 天 线 朝 天 状 态 下 桁 架 变 形 分 别 如 图 3 、 4 、 5 所 示 。 结 果 显 示 三 组 模 型 变 形 最 大 处 均 发 生 在 桁 架 安 装 阵 子 9 的 四 个 顶 角 ， 组 1 的 最 大 变 形 量 为 0 . 7 1 5 m m ， 组 2 的 最 大 变 形 量 为 1 . 1 2 m m ， 组 3 的 最 大 变 形 量 为 2 . 9 5 m m 。 每 组 桁 架 变 形 较 大 的 4 个 节 点 变 形 量 也 不 尽 相 同

20、 ， 造 成 这 一 现 象 的 原 因 主 要 由 两 点 ， 首 先 该 桁 架 结 构 并 非 完 全 对 称 结 构 ， 而 是 近 似 的 对 称 结 构 ； 其 次 桁 架 下 表 面 与 天 线 座 架 连 接 后 ， 点 1 和 点 2 比 点 3 和 点 4 距 离 固 定 点 1 0 的 距 离 比 更 小 ， 因 此 点 3 和 点 4 悬 臂 更 长 变 形 更 大 。 3 组 模 型 的 结 果 对 比 如 表 2 所 示 。 从 对 比 结 果 看 ， 组 1 的 变 形 量 最 小 ， 但 是 其 反 射 体 重 量 却 是 最 大 的 ， 组 3 重 量 虽 然

21、 最 小 但 变 形 量 达 到 2 . 9 4 9 ， 为 了 满 足 天 线 单 链 驱 动 1 1 的 要 求 ， 应 在 满 足 图 1 平面阵列天线结构图 - - 108精 度 要 求 的 基 础 上 尽 量 减 轻 重 量 ， 从 而 满 足 该 天 线 快 速 响 应 要 求 1 2 。 所 以 对 组 2 进 行 进 一 步 优 化 ， 是 其 在 重 量 变 化 很 小 的 基 础 上 提 高 其 刚 性 。 4 个 顶 角 改 进 后 的 结 构 形 式 如 图 6 所 示 ， 图 中 虚 线 为 增 加 的 两 件 连 接 杆 ， 其 结 构 为 3 0 3 0 3 的

22、角 钢 ， 并 根 据 转 动 惯 量 在 桁 架 上 增 加 角 加 速 度 1 5 / s 2 的 惯 性 力 矩 ， 惯 性 力 矩 M J = J 式 中 ： J 系 统 转 动 惯 量 ； 角 加 速 度 。 根 据 模 型 在 三 维 软 件 计 算 反 射 体 的 转 动 惯 量 如 下 ： J A = 1 9 5 6 k g . m 2 ； J E = 1 4 6 8 k g . m 2 由 此 可 得 方 位 惯 性 力 矩 ： M J A = 5 1 1 8 N m 俯 仰 惯 性 力 矩 ： M J E = 3 8 4 1 N m 改 进 后 在 朝 天 状 态 下 增

23、加 方 位 惯 性 力 矩 的 变 形 结 果 如 图 7 所 示 ， 变 形 最 大 值 由 原 先 的 1 . 1 2 3 m m 降 低 为 0 . 8 3 6 m m ， 位 置 点 4 的 刚 性 明 显 提 高 1 3 ， 其 变 形 量 仅 为 0 . 4 5 m m ， 变 形 最 大 处 位 于 安 装 阵 子 单 元 的 四 个 边 ， 整 个 桁 架 变 形 更 加 均 匀 ， 变 形 值 均 方 根 为 0 . 4 2 m m ， 满 足 反 射 面 精 度 要 求 。 图 6 结构优化示意图 图 7 优化后朝天状态下变形图 改 进 后 在 指 平 状 态 下 增 加

24、方 位 惯 性 力 矩 的 变 形 结 果 如 图 8 所 示 ， 变 形 最 大 值 为 2 . 9 9 m m ， 位 置 4 变 形 量 为 2 . 4 1 m m ， 位 置 1 为 1 . 1 1 m m ， 位 置 2 为 是 1 . 1 m m 。 图 3 组 1 变形结果 图 4 组 2 变形结果 图 5 组 3 变形结果 表 2 结果对比 组号 最大变形/mm 最大应力 /Mpa 反射体重量 /Kg 组 1 0. 715 4 1. 849 543 组 2 1. 123 3 . 364 397 组 3 2. 949 3 . 885 273 王 伟， 等 平面阵列天线结构轻量化设

25、计分析及优化 - - 109 电子设计工程 2018 年第 16 期 变 形 最 大 位 置 为 位 置 3 、 4 桁 架 的 顶 角 处 ， 而 其 它 安 装 阵 子 的 位 置 变 形 量 并 不 是 很 大 ， 变 形 值 均 方 根 为 0 . 8 2 m m ， 小 于 0 . 9 m m ， 满 足 设 计 要 求 。 图 8 优化后指平状态下变形图 3 传动系统校核 结 构 确 定 后 对 其 方 位 和 俯 仰 的 传 动 装 置 进 行 校 核 ， 使 天 线 满 足 方 位 和 俯 仰 的 驱 动 要 求 。 3 . 1 负载力矩 方 位 转 动 需 要 克 服 方 位

26、 轴 承 的 摩 擦 力 矩 和 惯 性 力 矩 ， 由 于 该 天 线 位 于 天 线 罩 内 ， 因 此 不 考 虑 风 力 矩 1 3 。 根 据 以 往 工 程 经 验 估 算 ， 该 天 线 方 位 摩 擦 力 矩 M f A = 1 0 0 k g m ， 俯 仰 摩 擦 力 矩 M f E = 9 0 k g m 。 方 位 总 负 载 ： M A = M f A + M J A = 100 + 51 1.8 = 611. 8 k g . m 俯 仰 总 负 载 ： M E = M f E + M J E = 90 + 384 .1 = 474. 1 k g . m 3 . 2

27、传动校核 为 了 在 保 证 质 量 前 提 下 降 低 成 本 ， 因 此 在 原 有 的 天 线 座 基 础 上 将 双 链 传 动 改 为 单 链 传 动 ， 选 择 电 机 额 度 转 速 1 2 0 0 r / m i n ， 转 速 可 调 ， 功 率 2 . 2 K W ， 减 速 机 速 比 7 0 ， ， 末 级 大 小 齿 轮 速 比 为 6 ， 电 机 在 额 定 功 率 工 作 时 ， 其 方 位 和 俯 仰 的 转 速 为 A = E = 1 2 0 0 3 6 0 / 6 0 / 4 2 0 = 1 7 . 1 / s ， 满 足 转 速 要 求 。 电 机 输 出

28、 扭 矩 T = 9 550 P n = 9 5 50 2 .2/ 1 20 0 = 17.5 N m 输 出 扭 矩 T A = T E = 1 . 7 5 7 0 6 = 7 3 5 k g . m 完 全 满 足 负 载 要 求 。 4 结 论 文 中 利 用 有 限 元 分 析 方 法 对 平 面 阵 天 线 反 射 体 进 行 设 计 和 优 化 1 4 ， 通 过 对 比 三 组 不 同 桁 架 截 面 梁 分 析 结 构 ， 确 定 了 以 组 2 的 角 钢 建 立 反 射 体 桁 架 ， 并 对 其 局 部 变 形 较 大 的 位 置 进 行 结 构 优 化 设 计 ， 最

29、终 确 定 了 该 面 阵 天 线 的 具 体 结 构 。 随 后 将 该 结 构 的 惯 性 力 矩 1 5 添 加 在 模 型 上 并 再 次 进 行 分 析 ， 确 定 了 最 终 反 射 体 桁 架 均 方 根 精 度 为 0 . 4 2 m m ， 重 量 为 3 9 7 k g ， 满 足 天 线 精 度 要 求 。 最 后 对 该 天 线 的 传 动 系 统 进 行 分 析 ， 确 保 传 动 系 统 满 足 要 求 1 6 。 文 中 形 成 了 从 初 步 构 建 模 型 、 有 限 元 分 析 1 7 、 确 定 初 步 模 型 、 优 化 并 分 析 确 定 最 终 模

30、型 、 校 核 该 模 型 的 整 个 设 计 方 法 1 8 ， 最 终 为 产 品 的 实 现 提 供 可 靠 依 据 。 根 据 本 文 分 析 所 设 计 出 的 平 面 阵 天 线 反 射 体 是 满 足 传 动 和 电 气 性 能 要 求 的 。 参考文献： 1 朱 钟 淦 ， 叶 尚 辉 . 天 线 结 构 设 计 M. 北 京 ： 国 防 工 业出版社， 1980. 2 石 亦 平 ， 周 玉 蓉 . ABAQUS 有 限 元 分 析 实 例 详 解 M. 北京： 机械工业出版社 ， 2006 3 孙 江 艳 ， 蔡 先 续 ， 周 田 ， 等. 基 于 ANSYS 的 9 m

31、 天 线 静 动 态 特 性 分 析 J. 机 械 工 程 与 自 动 化 ， 2015 （ 3 ） : 93 - 95 . 4 胡 长 明 ， 王 长 武 ， 王 贤 宙 . 天 线 座 多 柔 体 动 力 学 建 模 与仿真分析 J. 电子机械工程 ， 2015 （ 5 ） ： 52- 57. 5 周 鹏 ， 伊 向 杰 ， 栗 曦 ， 等 . 一 种 结 构 紧 凑 的 双 极 化 微 带 阵 列 天 线 设 计 J. 微 波 学 报 ， 2016 （ S 1 ） ： 171 - 173 . 6 张 旭 东 ， 纪 成 臣 ， 闫 秀 峰 . 阵 列 天 线 骨 架 结 构 设 计 J.

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33、 种 全 向 天 线 支 架 有 限 元 分 析 J. 机械设计与制造 ， 2015 （ 5 ） ： 196 - 198 . （ 下转第 115 页 ） - - 110由 图 7 可 知 ， 相 比 较 于 B P 神 经 网 络 ， G R N N 神 经 网 络 的 识 别 准 确 率 更 高 ， 泛 化 能 力 更 好 ， 运 行 时 间 更 短 1 7 。 4 结束语 文 中 提 出 了 一 种 雷 达 信 号 调 制 类 型 识 别 新 方 法 ， 该 方 法 结 合 了 短 时 傅 里 叶 变 换 及 G R N N 神 经 网 络 分 类 器 。 仿 真 实 验 结 果 显 示

34、， G R N N 算 法 具 有 良 好 的 学 习 能 力 ， 较 高 的 识 别 精 度 ， 识 别 效 果 令 人 满 意 。 此 方 法 能 够 利 用 较 少 的 特 征 值 得 到 较 高 的 识 别 正 确 率 ， 对 于 其 他 分 类 问 题 ， 也 有 一 定 的 参 考 价 值 1 6 。 参考文献： 1 王 培 培 ， 徐 才 宏 . 瞬 时 频 率 雷 达 信 号 脉 内 调 制 识 别技术J. 现代电子技术 ， 2016， 39 （ 13 ） : 30- 34 . 2 章 琴 ， 刘 以 安 . 一 种 新 的 雷 达 辐 射 源 信 号 识 别 方 法J. 微型

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