CN110909475B - 一种耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,包含以下步骤:S1,根据飞行器结构布局,确定波导缝隙阵天线的几何结构参数和材料属性;S2,根据波导缝隙阵天线的边界条件、功能要求,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值;S3,根据波导缝隙阵天线的应力分布、形变分布,校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响;S4,根据分析结果,改进波导缝隙阵天线结构形式并选用耐高温材料,以完成波导缝隙阵天线在高速飞行环境下的形变控制。本发明解决波导缝隙阵天线的抗热学和力学设计难点,可指导波导缝隙阵天线在飞行器高速飞行工况下的耐高温抗振设计。
Description
技术领域
本发明涉及波导缝隙阵天线设计领域,特别涉及一种耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法。
背景技术
随着无线电技术的快速发展,对天线多功能、多波段、远距离、高功率等性能要求越来越高,金属材质的波导缝隙天线具有成型工艺成熟、高可靠性、低成本,较易实现高效率、超低副瓣和高增益等特点,在雷达和通信领域得到广泛应用。
某高速飞行器采用波导缝隙阵天线雷达体制,天线耐高温、抗振特性成为波导缝隙阵天线设计的技术难点之一。综合考虑结构布局和材料选用,波导缝隙阵天线采用选用耐高温防热材料和结构加固设计以满足电性能指标要求和机械性能指标要求。
公开号为CN104205484A的专利文献公开了耐高温天线,包括天线罩、天线主体以及防热材料,仅从防防热角度进行可靠性设计,未综合考虑高温导致金属材料力学性能下降和高速飞行器恶劣振动环境对天线可靠性的影响。公开号为CN103682574A的专利文献公开了一种耐高温Ka频段波束收发天线,包括天线主体、罩于天线主体之上的天线窗,设置于所述天线主体之中的接收高频的第一圆波导和发射低频的第二圆波导,仅从防防热角度进行可靠性设计,未综合考虑高温导致金属材料力学性能下降和高速飞行器恶劣振动环境对天线可靠性的影响。公开号为CN106571521A的专利文献公开了一种耐高温天线,包括天线主体安装在本体外侧的天线罩以及设计在本体上的热量扩容器,仅从防热和增加材料热容量的角度进行波导缝隙阵天线的耐高温设计,和对接插件的保护设计,未综合考虑高速飞行器恶劣振动环境对天线可靠性的影响。非专利文献《Wideband Design and ThermalDeformation Analysis of Space-borne Large Waveguide Slots Array Antenna inKu-band》介绍了星载Ku频段波导缝隙阵天线热变形分析和宽带设计,仅从热设计角度分析变形对天线的影响,未考虑发射过程恶劣振动环境对天线可靠性的影响。非专利文献《应用于超高速制导炮弹的介质波导天线》介绍了一款应用于超高速制导炮弹的介质波导天线。该天线采用了天线与无线电引信风帽的一体化设计,天线辐射单元主体采用金属圆波导结构,忽略了超高速飞行过程中恶劣振动环境对天线可靠性的影响。非专利文献《弹载平板阵列天线的随机振动分析》,研究了弹载随机振动对波导缝隙阵天线机械性能的影响,未考虑弹载恶劣飞行环境引起的高温工况对天线机械性能及电性能的影响。非专利文献《星载缝隙波导天线热控涂层的制备工艺》,研究了铝合金复杂结构星载缝隙波导表面热控涂层的制备工艺流程及涂层的试验方法,仅从波导缝隙阵天线星载热控角度展开设计分析,忽略了火箭发射过程中恶劣振动环境对天线可靠性的影响。
发明内容
本发明通过设计波导缝隙阵天线结构形式、选用耐高温防热材料,解决波导缝隙阵天线的抗热学和力学设计难点,可指导波导缝隙阵天线在飞行器高速飞行工况下的耐高温抗振设计。
为了实现以上目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特点是,包含以下步骤:
S1,根据飞行器结构布局,确定波导缝隙阵天线的几何结构参数和材料属性;
S2,根据波导缝隙阵天线的边界条件、功能要求,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值;
S3,根据波导缝隙阵天线的应力分布、形变分布,校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响;
S4,根据分析结果,改进波导缝隙阵天线结构形式并选用耐高温材料,以完成波导缝隙阵天线在高速飞行环境下的形变控制。
所述的步骤S1中飞行器结构包括:天线本体和设置于天线本体上方的天线窗。
所述的天线窗包括:
防热罩,其设置于天线本体上方;
透波盖板,其设置于防热罩于天线本体之间,所述的透波盖板与天线本体之间设有间隙;
一对隔热盖板,其分别设置于透波盖板的两侧,且压住天线本体。
所述的步骤S1中波导缝隙阵天线的几何结构参数包括天线本体长度、天线本体宽度、天线本体高度和天线本体与透波盖板间隙。
所述的波导缝隙阵天线的材料属性包括材料类型、密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数或比热容的一种或几种。
所述的步骤S2中,所述的波导缝隙阵天线边界条件包括天线飞行状态、飞行速度、持续时间、振动类型或热量传递路径的一种或几种。
所述的步骤S2中波导缝隙阵天线功能要求包括天线力学性能指标和天线电性能指标,其中所述的天线力学性能指标包括等效最大应力和形变;所述的天线电性能指标包括指向、增益和相位。
所述的步骤S2中,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值包括:
根据温度环境工况和金属材料热膨胀原理,计算出天线最大应力值和应变值;
根据不同振动工况条件下力学环境,仿真计算出天线最大应力值和应变值。
所述的步骤S3中校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响包括:
根据最大应力值对比许用应力值校核产品可靠性,根据天线缝隙热膨胀量计算出天线电性能变化,并校核是否满足指标要求。
所述步骤S4中改进波导缝隙阵天线结构形式包括:调整透波盖板与天线本体之间的间隙。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
能够解决波导缝隙阵天线在高速飞行器恶劣温度环境条件下耐高温问题,能够解决波导缝隙阵天线在高速飞行器恶劣振动环境条件下抗振问题,可指导波导缝隙阵天线在飞行器高速飞行工况下的耐高温和抗振设计。
附图说明
图1为本发明一种耐高温抗振波导缝隙阵天线流程图;
图2为高速飞行器天线窗示意图;
图3为波导缝隙阵天线示意图;
图4为波导缝隙阵天线尺寸图;
图5为改进前天线温度分布云图;
图6为改进前波导缝隙阵天线高温形变分布云图;
图7为改进前波导缝隙阵天线表面温度曲线;
图8为改进前波导缝隙阵天线振动形变分布云图;
图9为改进前波导缝隙阵天线振动应力分布云图;
图10为改进前波导缝隙阵天线形变引起方向图变化对比;
图11为改进前波导缝隙阵天线形变引起幅度和相位变化对比;
图12为波导缝隙阵天线改进后示意图。
图13为改进前天线温度分布云图;
图14为改进后波导缝隙阵天线形变分布云图;
图15为改进后波导缝隙阵天线应力分布云图。
具体实施方式
以下结合附图,通过详细说明一个较佳的具体实施例,对本发明做进一步阐述。
如图1所示,耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,包含以下步骤:
S1,根据飞行器结构布局,确定波导缝隙阵天线的几何结构参数和材料属性;
S2,根据波导缝隙阵天线的边界条件、功能要求,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值;
S3,根据波导缝隙阵天线的应力分布、形变分布,校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响;
S4,根据分析结果,改进波导缝隙阵天线结构形式并选用耐高温材料,以完成波导缝隙阵天线在高速飞行环境下的形变控制。
具体的,如图2所示,飞行器结构包括天线本体和设置于天线本体上方的天线窗,天线窗包括防热罩,其设置于天线本体上方;透波盖板,其设置于防热罩于天线本体之间,所述的透波盖板与天线本体之间设有间隙;一对隔热盖板,其分别设置于透波盖板的两侧,且压住天线本体。
在防热罩两侧还设有安装法兰,在安装法兰的下方设有一垫块,并通过一固定螺丝连接垫块、防热罩和安装法兰,在隔热盖板的两侧还设有框架,天线包络紧凑,选用底剖面波导缝隙阵天线。
如图3所示,天线本体8包括依次设置的缝隙阵列9、功分阵列10、馈电网络11及和差网络12。缝隙阵列9、功分阵列10、馈电网络11与和差网络12通过焊接方式互联,盖板13、盖板15和短路块14通过螺接方式固定在天线阵面下方。如图4所示,天线本体长为L,宽为B,高度为H,天线本体通过四个角安装孔16固定在飞行器表面。
波导缝隙阵天线选材主要考虑材料的导电率、焊接性能、结构强度和可加工的精度几个方面。其中铝合金材料制作成波导缝隙阵列天线的工艺成熟,无论是可加工性和焊接性能够很好的保证天线在毫米波段的性能。不锈钢由于导电率低,高频具有磁损耗,采用不锈钢制造天线会使得天线的毫米波段的损耗增大,天线增益降低,无法满足电性能指标的要求。铜合金具有非常好的金属导电性和结构强度及可加工性能,但铜波导的焊接工艺非常复杂,且不成熟。焊接后的焊料难以去除,焊料焊剂残余具有腐蚀性,会腐蚀铜波导。所以,目前铜波导的焊接工艺无法保证天线的电性能指标,带腐蚀性的焊剂会腐蚀波导。钛合金材料同样由于导电率低无法满足高频毫米波段的增益性能指标,且尚无技术成熟的高精度的焊接工艺。碳纤维由于重量轻,结构强度高和具有导电的非金属材料,广泛用于与宇航产品来代替金属材料,但国内碳纤维材料的导电性能还无法达到金属的水平,同样导致天线的增益大幅度降低,无法满足指标要求。综合对多种材料类型的各项性能对比分析,见表,最终采用工艺技术成熟度高的铝合金来加工波导缝隙阵列天线。
表1材料性能对比
铝合金材料属性如表2所示。
表2
S2、根据波导缝隙阵天线的边界条件、功能要求,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值;
根据高速飞行器飞行工况,仿真计算得出天线表面温度随时间变化,图5为飞行器温度环境最恶劣时天线阵面温度分布,图6飞行器温度环境最恶劣时天线阵面形变分布,最大形变值为0.98mm,位于天线长度方向两侧。整个天线在400秒时达到热平衡,即天线阵面温度在300℃左右。飞行器飞行全过程天线表面温度变化曲线如图7所示。
飞行器飞行过程中天线主要收到垂直于阵面方向的振动影响,振动类型主要包括正弦振动和随机振动,试验条件分别见表3和表4。
表3正弦扫描试验条件
表4助推段随机振动试验条件
根据表3和表4振动输入条件,仿真计算可得随机振动和正弦振结果动见表5和表6,图8和图9。
表5随机振动结构应力仿真
表6正弦振动结构应力仿真
S3、根据波导缝隙阵天线的应力分布、形变分布,校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响。
根据图8、图9及表5和表6中数据分析可得,振动力学环境天线最大应力值23.6MPa,位于安装孔约束处,应力值小于材料铝的屈服强度。应变值为0.029mm,位于天线长度方向两侧,应变值相对较小。
天线在高温环境下天线会产生更大的热形变。天线结构的热形变将直接影响到天线的电性能。铝的热膨胀系数为2.36×10-5/℃,按对天线电性能影响最小的均匀膨胀来计算,在300℃条件下,每单位mm的热膨胀量为0.00708mm。波导缝隙阵天线的金属波导口宽度和波导缝隙缝间距直接影响到天线的波束指向角和比相基线的大小。波导口宽度尺寸设计值为6.5mm,波导缝隙缝间距设计值为7.5mm,加工精度误差要求小于0.02mm。按300℃条件下,每单位mm的热膨胀量为0.00708mm计算,由于热膨胀引起的波导口宽度和波导缝隙缝间距将达到0.04mm的误差。因此由于高温热膨胀所引起的天线尺寸偏离设计值的误差将大于加工所要求的误差,导致的直接结果是天线的电性能指标会恶化。为验证热形变对天线电性能的影响程度,按对天线电性能影响最小的均匀膨胀来计算仿真。对比的结果主要有天线的增益、驻波系数、比相基线、端口隔离度等情况。图10和图11为产生0.04mm形变情况下天线方向图、幅度和相位方向图对比结果,从结果中可以看出,天线结构膨胀形变后,方向图的波束指向角发生变化,指向角由0.7°变为0.5°,天线增益降低0.4dB。
同样,天线暴露在高温环境下铝合金金属材料的强度会降低。如下表7所示,250℃时,焊接铝的抗拉强度为常温下的50%,在300℃环境下,则只有常温下的40%。因此铝合金材料在高温下存在强度降低的风险,需要对天线与舱体固定的部分结构进行加强,避免天线结构在高温振动下变形。
表7铝合金材料强度特性表
通过仿真计算可得随着温度的升高,天线的主波束逐渐向法线方向偏离、天线偏转角的减小、天线的相位基线逐渐变短。在温度达150℃时,低频的相位基线为常温下的80%,中频的相位基线为常温下的60%,高频的相位基线基本为0。因此,由于金属铝材天线的高温热膨胀导致天线的电调相位基线变短甚至消失。
S4、根据分析结果,改进波导缝隙阵天线结构形式、选用耐高温材料,以完成波导缝隙阵天线在高速飞行环境下的形变控制,提高产品可靠性。
针对在高温条件下铝合金材料强度降低的结构风险问题,主要的解决方案如下:
首先,合理设计天线窗内防热罩和透波隔热材料结构布局,选用透波耐高温材料作为基材,天线窗相关材料的电磁参数如下表。
表8天线窗材料参数表
然后,在总体舱体框架安装面不变的情况下,增加天线本体与防隔热材料之间空气间隙,有效降低热量传递效率,降低罩体内壁高温热量传递到天线阵面上。同时,对天线本身的结构进行强化设计,即在天线上增加高强度球墨铸铁材质的L型转接支架,支架通过四个侧向安装孔固定在飞行器表面,保证安装的刚度,如图12所示。最后,通过产品成型后材料强化处理的手段增加铝合金的强度来保证,有效保证天线的可靠性。
仿真计算结果如图13,图14和图15所示,天线阵面最高温降为200℃,形变最大值为0.17×10-1mm,位于结构长度方向两侧,等效应力的最大值为10.7MPa,位于安装孔下部的L型拐角处,应力值远小于材料铝的屈服强度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,包含以下步骤:
S1,根据飞行器结构布局,确定波导缝隙阵天线的几何结构参数和材料属性;
S2,根据波导缝隙阵天线的边界条件、功能要求,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值;
S3,根据波导缝隙阵天线的应力分布、形变分布,校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响;
S4,根据分析结果,改进波导缝隙阵天线结构形式并选用耐高温材料,以完成波导缝隙阵天线在高速飞行环境下的形变控制;
所述的步骤S2中波导缝隙阵天线功能要求包括天线力学性能指标和天线电性能指标,其中所述的天线力学性能指标包括等效最大应力和形变;所述的天线电性能指标包括指向、增益和相位;
所述的步骤S2中,计算波导缝隙阵天线在不同飞行工况下的应力值、形变值包括:
根据温度环境工况和金属材料热膨胀原理,计算出天线最大应力值和应变值;
根据不同振动工况条件下力学环境,仿真计算出天线最大应力值和应变值;
所述的步骤S2中,所述的波导缝隙阵天线边界条件包括天线飞行状态、飞行速度、持续时间、振动类型或热量传递路径的一种或几种。
2.如权利要求1所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述的步骤S1中飞行器结构包括:天线本体和设置于天线本体上方的天线窗。
3.如权利要求2所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述的天线窗包括:
防热罩,其设置于天线本体上方;
透波盖板,其设置于防热罩于天线本体之间,所述的透波盖板与天线本体之间设有间隙;
一对隔热盖板,其分别设置于透波盖板的两侧,且压住天线本体。
4.如权利要求2所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述的步骤S1中波导缝隙阵天线的几何结构参数包括天线本体长度、天线本体宽度、天线本体高度和天线本体与透波盖板间隙。
5.如权利要求1所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述的波导缝隙阵天线的材料属性包括材料类型、密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数或比热容的一种或几种。
6.如权利要求1所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述的步骤S3中校核产品可靠性和计算对天线电性能的影响包括:
根据最大应力值对比许用应力值校核产品可靠性,根据天线缝隙热膨胀量计算出天线电性能变化,并校核是否满足指标要求。
7.如权利要求3所述的耐高温抗振波导缝隙阵天线设计方法,其特征在于,所述步骤S4中改进波导缝隙阵天线结构形式包括:调整透波盖板与天线本体之间的间隙。
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