低对流层风廓线雷达天线结构设计汽车香薰多刀车床张力仪机械钟传声器

低对流层风廓线雷达天线结构设计

摘 要：低对流层风廓线雷达是我国研制的新型气象雷达，介绍了低对流层风廓线雷达天线的结构设计和力学分析计算，并着重介绍了独特的Co-Co天线结构。

关键词：风廓线雷达；Co-Co天线；结构设计；力学分析

1 概述

某型低对流层风廓线雷达是P波段多普勒相控阵雷达，探测大气流后向散射信号，利用三轴测量方法得到各层大气三维风场信息。工作方式为全自动、无人值守、不间断连续工作，并可遥控、遥测。因此，要求雷达具有高可靠性、高自动化程度、适应野外恶劣环境的性能。

天线系统是低对流层风廓线雷达的重要组成部分。该天线是平面相控阵天线，由Co-Co天线阵、反射面、屏蔽组成。Co-Co天线阵位于反射面上，上、下两层天线阵均由十六行Co-Co天线排列而成。两层Co-Co天线相互正交，通过支撑件固定于反射面骨架上(见图1)。

天线阵面水平放置。由于反射面下安装有馈线络，必须保证人能进入维修，而且反射面高度又要尽可能低(为了降低屏蔽高度)，因而确定反射面距地面0.85 m,通过十二个支架与地面固定。

为了消除地面物体的影响，在天线四周加屏蔽，呈10m×10m的正方形，高3 m，形成18°的阻挡角。屏蔽垂直固定于地面，每个面的外侧有四个斜撑。

天线结构主要技术指标见表1。

2 天线结构设计

2.1 Co-Co天线结构设计

Co-Co天线子阵由同轴线单元共线排列而成。相邻单元的内、外导体交叉联接，外套直径25 mm、壁厚1.5 mm的环氧玻璃布管，在管内发泡固定同轴线单元(见图2)。这样，同轴线单元成为一体，使整个Co-Co天线具有一定刚度。环氧玻璃布管具有很好耐腐蚀能力，能够适应野外恶劣环境。Co-Co天线的中央馈电头固定于反射面上，两端也通过支撑件与反射面联接。

对Co-Co天线做强度校核。由于Co-Co天线是三点支撑，因此可将其简化为图3所示双跨连续梁。Co-Co天线主要受风力作用，与风力相比自重很小，忽略不计。

单位长度载荷为：

环氧玻璃布管〔σ〕=60 MPa,因此Co-Co天线是安全的。

2.2 反射面结构设计

天线反射面是6.9 m×6.9 m的平面。为便于运输，将其分成六块，每块2.3 m×3.45 m。由于反射面平面度要求不高，而且水平放置，受力较小，因而反射面采用片状结构，厚度以便到达好的效果是个很重要的问题50 mm(反射面厚度小，有利于屏蔽高度的降低)。为了减轻重量，采用角钢和槽钢焊成框架，上铺铁丝形成反射面。

为了满足反射面的设计精度，对反射面进行力学分析计算。这里，运用有限元法进行计算。将反射面框架简化成有限元模型，共有312个梁单元。约束12个支撑点对应节点的3个移动自由度。由于反射面是水平放置的片状结构，因选择适合的分辨 率和带宽搭配而其风载荷忽略不计，主要外载荷是安装在其上的Co-Co天线的支反力和其下的馈线络重量以及冰载荷。将Co-Co天线支反力和馈线络重力载荷施加到相应的水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法 GB/T1346⑵001安装点上，冰载荷150 P合金铸件a平均施加到各个节点上。利用有限元计算程序SAP91进行计算，从计算结果可知，反射面最大变形为3.8 mm(见离心水泵图4),满足其平面度要求。

2.3 屏蔽结构设计

屏蔽为10 m×10 m的正方形，高3 m。为了便于制造和运输，将其设计成2 m×3 m的单块，每面由5块拼装而成，共20块。单块屏蔽用角钢焊成目字形框架，再铺上铁丝，以减小风阻力和重量。

对屏蔽进行强度较核。同样将其框架及斜撑简化成有限元模型(见图5)，共有156个梁单元。屏蔽垂直立于地面上，将其与地面固定点所对应节点的自由度全部约束。屏蔽的外载荷主要是风阻力。对于方形结构，当风沿对角线方向吹时，风阻力最大。

对两种工况进行分析：

工况一：风力方向与屏蔽面成45°，风速为60 m/s。

式中，C为风阻系数；A为风阻面积，m2；V为风速， m/s；Φ为实体比；K为实体比的函数。

屏蔽的孔为10 mm×10 mm的正方形，线径1.2 mm，因而：

一面的风载荷F=9.8×0.095×(30×cos45°)×602/16=4443 N。

将此载荷分别加到四个面上( 因前后面距离相对于铁丝线径来说很大，不考虑遮蔽效应)。

工况二：风力方向与屏蔽面成45°冲压件，风速22m/s2,冰载荷150 Pa。

对于状面，在积冰时所受风力，必须按实体来计算，前两个面风阻系数C=1.2。后两个面由于遮蔽效应影响，风载荷分布比较复杂，为简化计算取风阻系数C=0.4。

前两面的风载荷F=9.8×1.2×(60×cos45°)×222/16=15092 N。

后两面的风载荷F=9.8×0.4×(60×cos45°)×222/16=3773 N。

将风载荷分别加到前后面上。冰载荷加到四个面上(方向与重力方向相同)。

对上述两种工况运用SAP91程序计算可以得出：工况一的最大应力为62 MPa；工况二的最大应力为128 MPa，均小于钢Q345的许用应力160 MPa(安全系数2)。因而，屏蔽是安全的。

3 天线结构特点

该型天线是相控阵列天线，两层各16行，368个单元。天线单元为同轴线，每行相邻两单元交叉串馈，这是该型雷达的特点之一。由于同轴线内导体很细易变形(Φ1.4 mm)，外导体又是一细长管(Φ9 mm×220 mm)，这就难以保证内外导体的同轴度，而且内外导体之间均匀充填聚四氟乙烯介质也很困难(充填介质是为了减小单元尺寸)，单元间的交叉串馈也是一个难点。另外，若每个单元单独支撑固定，则增加了结构复杂程度，提高了对反射面的要求。因此，天线阵的结构设计就成了整个天线系统设计的关键。

首先，为了减少单元支撑，采用子阵结构，设计了十单元和八单元两种共线排列的子阵(Co-Co天线)，整个子阵固化成一体，通过中央馈电头和两端支撑件固定于反射面骨架上。Co-Co天线长度在2 m左右，制造、安装和运输都比较方便。其次，采用同轴电缆作单元，为了使单元具有刚性，去钢坯除电缆护套和铜线编织的外导体，保留介质和内导体，套上壁厚1 mm的铜管作外导体。单元内导体延伸出来打弯后直接与相邻单元的外导体焊接(见图2)，这样就实现了交叉串馈。单元外套环氧玻璃布管，在其内进行聚氨脂发泡固定单元，形成子阵结构的整体性，并具有一定的刚度，同时实现了单元的密封防潮。

采用上述设计方法，结构简单，加工方便，降低了制造成本。整体性结构、简单可靠的联接方式，满足了雷达高可靠性的要求。

4 结束语

风廓线雷达技术发展于上世纪60年代后期，80年代中期开始使用。国内风廓线雷达技术最早开发于80年代末，低对流层风廓线雷达是我国研制的新型气象雷达，具有90年代国际水平。该雷达天线系统在结构性能指标方面完全达到总体技术要求。另外，在天线的拆装方面还有待完善，以推进该型雷达的发展。

参考文献：

1 刘鸿文.材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，1992.

2 叶尚辉,李在贵. 天线结构设计［M］. 西安：电子科技大学出版社，1988.

3 朱以文. 有限元专用CAD系统ViziCad及其使用［M］. 水电部天津勘测设计院. 北京四通集团武汉四通公司，1991.(end)

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