电子第3章-ANSYS 在雷达天线设计中的应用

第三章 ANSYS 在雷达天线设计中的应用
一. 雷达总体结构及其零部件的结构分析和优化设计
对雷达总体结构及零部件进行结构分析 和优化设计是确定雷达总体结构及其零部 件在自身重力载荷、恒定风载荷、恒定转动 惯性载荷等(共同)作用下的变形特点、应力 分布等，并在此基础上进行改进或优化设 计，从而避免由于过大的变形造成的信号失 真或精度的降低、避免由于过大的应力集中 造成的局部损坏。ANSYS 的计算流体动力学 分析功能可用于计算在各种风速、风向吹刮 下作用于整个雷达或天线结构上的风力，以 便为前面的结构静力分析提供准确的载荷 条件。ANSYS 由于有很强的自动面面接触非线性分析功能，因而可对由螺栓、紧固、捆绑或 销钉等方式连接起来的整体结构进行分析，从而得到可靠结论。 信息产业部第 39 所应用 ANSYS 软件对 抛物面天线的强度和刚度进行计算，并应用 ANSYS 软件后处理中的数据运算功能得出天 线反射面变形的均方根值，从而确保所设计 的天线满足任务书提出的指标要求；根据 ANSYS 软件的计算结果对天线结构进行预先 调整，从而提高了天线在使用过程中的反射 面精度。通过对某 12 米天线的优化设计,重 量减轻 21.8%，转动惯量减少 20%，从而使 天线座及传动系统的重量减轻了 5 到 6 吨， 节约了大量材料，带来了可观的经济效益。 图 3－2 为 12 米天线的分析模型图。
图 3－2 12 米天线的分析模型图
图 3－1 齿轮传动接触分析
二. 雷达总体结构及其零部件的结构动力学分析
车载、舰载或机载雷达总是处于不断的运动状态中，由于路面不平、波浪起伏、气流运 动、或者机动行驶/航行/飞行而使得这些雷达系统承受着很大的激励载荷。可以采用 ANSYS 的瞬态(时程)分析来定量地确定雷达系统能否承受这些载荷、承载寿命是多少等等。同时， ANSYS 的谐波响应分析、单点和多点响应谱分析、随机振动分析等动态分析功能可以以非常 简便的方式计算出整个结构在上述激励载荷作用下的响应。 电子工业部第 54 所对某船载三轴三米卫星通讯天线系统进行了模态分析，得到了天线
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在指平及仰天两种状态下的固有频率及模态， 并对该系统在生产及装配时可能出现的问题进 行了可靠的预测，对工程的顺利完成起到了重要的作用。图 3－3 为天线的模态。
（a） 天线指平一阶模态 （b） 天线仰天一阶模态 图 3－3 天线模态分析
三. 大功率部件的热分析和冷却分析
大功率雷达系统的峰值功率可达数千瓦或数十千瓦，此时由于电阻阻抗或集肤效应产生 的焦耳热就非常可观。 可以用 ANSYS 的电路、 电磁场和耦合分析功能来计算各部件的电磁发 热状况， 用温度场分析功能来分析由于前述热源和外界环境共同作用下整个结构内部或关键 部位的温度分布， 再用结构分析功能来计算由于温度分布不均而引起的热应力和热变形。 同 时，系统的温度分布、电磁性能和结构变形往往是相互耦合、互相影响的，用 ANSYS 的多 物理场仿真分析技术来解决是再恰当不过 的了。系统的温升有时需要通过人为的方式 来冷却， 比如冷却水管、 冷却风扇等， ANSYS 为这些应用都专门提供了现成的手段予以 解决，比如管流单元、风扇模型等。ANSYS 的流体动力学分析功能可以直接用来进行 对流换热分析，在传统的温度场分析中，对 于对流换热，必须要预先知道结构边界的对 流换热系数、环境温度等，而这些参数通常 都是难以获得的，需要通过复杂的实验获 取，有了 ANSYS 的流体动力学分析功能后， 这些参数都不必知道了，而只需要知道冷却 空气或冷却水的进口温度和进口速度即可， 大大降低了分析的先决条件，提高分析精 度。有关电子冷却详见“第六章 ANSYS 在电 子产品热设计中的应用”。 图 3-4 为雷达用大功率器件的冷板，其 散热片排布是典型的错齿结构，图（b）为 冷板上流道内的空气流线。
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（a） 冷板散热片排布
（b） 冷板空气冷却流线 图 3－4 冷板空冷分析

四. 信号传输线、天线及元器件电磁性能分析
信号传输线、天线和雷达等电子系统通常在高频状态工作，它们的屏蔽和抗干扰特性直 接影响系统的性能。此外，系统的特性阻抗、S 参数、传播系数、能量损耗、天线方向图以 及雷达天线的电磁发射和接收性能等都是设计中非常关心的。 ANSYS 的高频电磁分析功能能 全面分析上述问题，为波导、微带、同轴器件、各类高频转接头、天线、微波/射频器件等 的设计和性能提高提供全方位的、优化的解决方案。有关内容详见“第五章电子产品的电磁 场及电磁兼容/干扰问题” 。 图 3-5 为抛物 面天线方向图的 计算， 高频电磁场 分析得到天线馈 元上信号源的激 励情况以及加载 不同激励时的天 （a）几何模型 （b）馈元的电场强度分布 线方向图；ANSYS 后处理可方便地 绘制出天线的方 向图以及指定路 径上的电场强度/ 磁场强度变化曲 线。图（a）为天 线的几何模型， 由 （c）远处辐射场电场强度分布 （d）指定路径上电场强度变化曲线 CAD 软件传入 图 3－5 天线方向图计算 ANSYS；图（d）为 指定路径上的电场强度变化曲线，显示主瓣峰值远高于副瓣。
五. 传动系统和伺服机构性能及可靠性分析
传动系统和伺服机构的性能和可靠性直接影响到雷达系统的反应速度、定位精度等关键 指标。不管是液压传动、机械传动还是电传操纵，都涉及到结构或流体的滞后、变形和振动 问题（有时还是液固耦合振动） ，运用 ANSYS 的流体、固体及其耦合分析功能，就能够真实 仿真这些部件在任意工况条件下完整的性能特性，并可进行优化设计。
（a）油缸模型
（b） 油缸内流场分布
（c）柱塞应力分布
图 3－6 液压油缸的流－固耦合分析 图 3－6 为某液压传动筒的流固耦合分析，液压油流入油缸后柱塞在油压的作用下运动，
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到达止点后柱塞受压变形，图（b）为油缸内的流体流线，图（c）为柱塞的应力分布。
六. 电机、电磁开关等低频电器部件的性能分析
电机和电磁开关等部件的分析主要涉及到其在静态、瞬态或谐波加载下的磁场分布、漏 磁系数、电磁作用力和力矩、启动和停机特性等。利用 ANSYS 的场路结合分析功能，能对这 些部件进行分析仿真和优化设计，从而提高效率并进行拓扑优化。同时，这些部件的设计还 涉及到热和结构的问题，若发热量过高，则直接影响到其性能。如何进行散热设计，这就需 要用到 ANSYS 的热和流体冷却分析功 能。电机或电磁开关在突然启动、受 到冲击或电源干扰等等情况下，往往 产生很大的扭矩或其它作用力，严重 时会导致某些零部件损毁，这可以用 ANSYS 结构分析功能来进行计算。 图 3-7 为发电机的磁场分析， 通过 磁场分析可在设计过程中预先知道电 机的性能，并对电机进行优化设计。 图 3-7 发电机电磁场强度分布
七. 其它辅助系统的多物理场分 析仿真
除了以上提到的这些系统或零部件外， 还有其它很多辅助系统需要分析， 比如固定在车、 舰或地上的机箱、机柜，电线、导线、电源、显示器、控制台、专用芯片、印刷电路板等等 的设计、装配都可能遇到一些不可预知的问题，而这些问题总归是由于结构、温度、电、磁 等方面的原因造成的，用 ANSYS 就能对这些问题进行全方位的多物理场仿真，找出问题。
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