某车载雷达天线阵面结构设计及仿真分析

摘 要：针对某车载雷达的高机动效能的需求，天线阵面采用模块化和集成化设计，为天线阵面的结构设计提供了一种新的思路。文中建立了天线骨架的有限元模型，针对工作、运输两种状态进行力学分析，研究结果表明，天线阵面结构具有较好的刚强度，在各工况下均能满足电讯提出的精度指标要求。

关键词：模块化;集成设计;盲插互连;有限元;刚强度

0引言

天线阵面结构是雷达结构的核心设备，其设计的关键是针对结构总体布局特点，实现天线阵面各设备合理布局，并确保天线具有良好的刚强度、环境适应性和维修性。天线阵面通常由天线单元、收发组件、电源组件、负载组件、液冷管网、为设备提供安装空间及承受载荷的天线骨架等组成。其中收发组件、电源组件、负载组件之间需要实现快速连接，可以使天线阵面获得更高的集成度，可以提高阵面空间的利用率，简化阵面设备的维修、更换过程;同时各组件采用独立的盲配背板，电、液连接器布置在同一块背板上，可以保证组件与背板的盲插精度，将对精度有较高要求的盲配连接集中在各组件和独立的盲配板上，从而降低对整个天线骨架加工精度的要求。液冷管网与天线骨架一体化设计，整体焊接后加工成型，保证了位置精度同时简化了阵面装配过程。

1天线阵面布局

天线阵面由天线单元、反射板、收发组件、电源组件、负载组件等设备组成，天线单元布置在阵面的前部，阵面设备布置在阵面的后部背箱内，天线单元与阵面设备、各阵面设备之间通过盲配板实现互连，阵面的液冷管网集成在背箱内，背箱两侧分别布置一供、一回两根液冷管路。盲配板安装在液冷管网的供、回液管路上，盲配板与管路之间加装O型密封圈实现密封。对收发组件、电源组件、负载组件等阵面设备进行统型设计，将天线骨架分割成多个独立的舱室，各舱室放置若干个阵面设备，舱室侧边设有维修门，用于设备的更换和维修。

收发组件、电源组件、负载组件等阵面设备统型设计，组件两侧设有导轨，前部装有把手和助推/助拔器实现组件的快速插拔和固定，电、液连接器布置在组件末端，同时末端设有两个定位销，用于组件与盲配背板的盲插定位。

2天线骨架结构设计

根据天线阵面布局，天线骨架的主体采用框架式结构形式，由5A06铝板焊接而成，综合考虑结构特点和承载要求将天线骨架的前部作为承载主体。将天线骨架拆分为前部框架和两个背箱共三个焊接部件，各部件分别焊接完成后再拼焊成型。前部框架作为天线阵面与转台的安装接口，承载整个阵面的载荷，为提高框架的刚强度，设计时采用纵横交错的工字梁拼焊，工字梁由整板加工而成，这样极大的减少了焊缝长度，避免了焊接变形过大等问题，提高了框架的刚强度。

背箱作为阵面设备的主要安装空间，安装接口多、加工精度要求高。背箱采用铝板拼焊，背箱内部沿横向设有筋板增加结构稳定性，背箱两侧开窗，用于安装可拆卸的维修门和维修盖板，这样既保证背箱内部的加工可达性，又保证了内部设备的维修性。液冷管网的供、回液管路布置在背箱的兩侧，既作为设备的安装接口，又对整个骨架的刚强度起到加强的作用。骨架内部导槽等结构件单独加工完成后与骨架主体进行螺接，缩短了项目的加工周期，节约成本。

3天线阵面力学分析

结构力学刚度设计要满足电性能对结构刚度设计要求，依据三维模型，建立对应有限元分析模型，其中天线骨架采用壳单元进行模拟，天线单元、收发组件、电源组件、负载组件等阵面设备采用质量单元进行等效。约束点位于天线阵面与转台的安装法兰孔位置。天线骨架采用5A06铝板焊接而成，材料参数见表1。

经过计算，工况1、工况2下天线阵面的法向变形分别为1.81mm、1.39mm，满足电讯对阵面精度的要求。

工况3、工况4下天线阵面的最大应力分别为46.8MPa、47.0MPa，最大应力位于天线阵面与转台的法兰安装空出。5A06材料的屈服强度为155MPa，安全系数为1.5是，安全系数均大于1.2，满足设计要求。

3.2天线阵面运输状态力学分析

雷达在运输过程中，天线阵面及骨架还需要保证足够的刚强度，根据公路运输情况下的设计要求，计算响应结果可知，天线骨架最大应力46.3MPa，位于与转台安装法兰孔安装孔附近，安全系数1.5时，安全裕度1.23;满足设计要求。

4.结束语

针对某车载雷达的高机动效能的需求，天线阵面采用模块化和集成化设计，阵面内部收发组件、电源组件、负载组件等设备采用统形模块设计，通过各自独立盲配背板实现电（液）的盲插互连，实现组件的快速插拔，同时降低了天线骨架加工精度的要求;液冷管网与天线骨架一体化设计，整体焊接后加工成型，保证了位置精度同时简化了阵面装配过程。文中针对天线阵面在工作、运输两种状态进行力学分析，结果表明天线阵面结构在各工况下均能满足电讯提出的精度指标要求，整体性能较好。

参考文献：

[1]陈常明，某车载雷达结构总体设计[J]，机械与电子，2018.9

[2]周易，有限元法在汽车坐椅结构设计中的应用[J]，沈阳大学学报，2018.6

[3]韦志林，在车辆结构设计中应用CAE技术的几点认识[J]，装备制造技术，2017.8

作者简介

杨猛（1991.05—）安徽淮北人，工程师，主要从事雷达天线阵面结构设计及力学仿真技术研究