波导裂缝阵列天线的结构设计

波导裂缝阵列天线的结构设计

张雪芹

(西安电子工程研究所　西安　710100)

【摘要】　简述了常规波导裂缝阵列天线的结构设计方法,同时以某些天线为例

强调了结构设计时主要考虑的几个因素。

关键词:波导裂缝阵列　框架　基准

Structural Design of Slotted Waveguide Array Antenna

Zhang Xueqin

(X i'an Electronic Engineering Resear ch Institute,X i'an710100)

Abstract:This paper briefs the str uctural desig n of comm on slotted w aveg uide array antenna and presents several key factors w hich should be co nsidered during structur al design of this antenna.

Keywords:slotted w aveguide array　frame　reference

1　引言

随着现代雷达技术的发展,波导裂缝阵列天线已被广泛应用于多种形式的雷达上。我所已有多个雷达产品采用裂缝阵列天线,鉴于波导裂缝阵列天线的特点,对其天线的结构设计提出了较高的要求。

波导裂缝阵列天线结构设计的合理与否,不仅影响该天线的加工工艺性以及天线的加工制造成本,更重要的是影响天线的电气性能。在此,以某些裂缝天线为例,对该种天线的设计方法做一简要的总结。

2　波导裂缝阵列天线的常规结构布局及组成

波导裂缝阵列天线从结构上可分为两大部分:第一部分为馈电网络部分,它主要包括功分器、移相器、裂缝波导等;第二部分为天线框架部分。其结构布局如图1。

第一部分是实现电磁波的收发功能,第二部分为第一部分的载体,其功能为支撑第一部分并安装与其有关的装置,如激励器等。

3　常规结构设计要求

a.外形几何尺寸:天线的外形主要取决于天线电气的要求及雷达总体要求,与天线的增益、功率和雷达总体架设、运输等因素有关。

本文于2000年9月10日收到

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图1　波导裂缝阵列天线结构布局示意图

b.天线的载荷:天线所受的载荷很多,为了简化计算,在设计时应根据天线的工作方式、工作环境以及使用方的要求等综合考虑,舍弃那些对阵面变形影响较小的载荷,而只对主要载荷进行分析计算。一般来说,波导阵列天线的主要载荷为风载荷。

c.天线阵面的平面度:阵面平面度是影响天线电气性能最重要的技术指标,而其指标要求的高低直接影响到天线结构设计的难易和加工成本。

d.天线的支撑形式:这主要取决于雷达总体的要求,它对天线在工作状态下的结构形变有着直接的关系。

e.其它:包括一些与天线工作有关的设备的安装等。

4　天线结构设计

从以上所述可以看出,对于天线的主要组成部分波导裂缝馈电网络来说,其天线阵面的平面度影响着天线的增益、副瓣、指向精度等电气指标,是天线结构设计的主要指标,而它本身没有足够的刚性,所以天线阵面平面度主要依靠其载体天线框架的刚性来保证。因此波导裂缝阵列天线的结构设计主要在于天线框架的结构设计。

对于常规的相阵天线来说,首先根据电气及总体要求排列波导及馈电网络,从而确定天线外形尺寸。初步选取天线框架材料及确定框架各梁单元的形式,再根据载荷要求及支撑条件进行详细的力学计算,从而最终确定天线框架的结构形式。我们常用的天线框架形式为直角隔框框架,其结构如图2。

图2　波导裂缝阵列天线框架结构示意图

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4.1　天线载荷的确定天线所受的载荷很多,大致有以下几种类型:风力、裹冰及积雪载荷、天线运动时的惯性载荷、自重、温度载荷及其它载荷。

并不是所有的天线都要考虑以上的各种载荷,对于不同的天线要根据其不同的工作环境及不同的工作方式进行不同的载荷计算。对波导裂缝阵列天线来说,由于其独有的特性,它在工作状态下大部分为静止不动、直立工作,因此在进行天线的载荷分析时,只考虑风力载荷对天线的影响。

风载荷计算:

F =C D V 216

A 式中:F 为风载荷,C D 为风阻力系数,V 为风速,A 为天线迎风面积。在天线外形确定后,通过上式,就可以计算出在不同的风速下天线所受的风载荷。

4.2　天线框架梁单元设计

天线框架梁单元的确定:在框架的力学计算中,我们将其简化成由许多梁单元组成的刚性框架,因此各梁单元的力学特性就决定了框架的力学特性,特别是框架主梁对刚性起决定性的作用。

在天线外形和风载荷已知后,可根据天线的支撑情况,将整个天线简化成与其相适应的梁结构进行刚度粗算,从而确定天线框架主梁及其它梁的结构形式。

由材料力学可知,当梁所受的外力、长度及支撑条件已定时,梁的抗弯能力就取决于梁截面的主惯性矩,而对于矩形截面梁而言,其惯性矩为:

I =bh 312 式中:b 为梁截面的宽度,h 为梁截面的高度。

从上式可看出,梁截面的高度对刚性的影响非常大,因此在结构设计时确定好梁的高度(也可以说天线的厚度)是保证天线刚性的关键。

4.3　裂缝波导的固定形式

裂缝波导的固定形式通过我所几个天线在工程中的应用可归纳为用螺钉压板固定法和环氧树脂粘胶固定法。

a.螺钉压板固定法:该方法是用特制压板和螺钉将裂缝波导在天线框架上压紧固定,初期的天线是采用非金属压板从裂缝波导正上方压下,此方法在实际应用中发现,位于裂缝波导正上方的压板对天线的某些电气指标影响较大。为了改善天线的电气性能,现在的天线均采用从裂缝波导侧面来固定裂缝波导,其方法是首先在裂缝波导侧面上设计出固定凸台,然后用金属压板从裂缝波导侧面的间隙中压下,从而达到对裂缝波导的固定。

螺钉压板固定法一般可用于较大型且波导间距较大的天线,我所某些产品的天线已采用螺钉压板固定法。

b.环氧胶粘接固定法:该方法是将裂缝波导按要求装入天线框架的波导安装槽内,然后用环氧胶进行粘接固定,常温固化。

此方法常用于阵面面积较小,波导间距窄的天线。在粘接时可以依裂缝波导开缝面为基59　第1期

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