赵希芳，沈文军，马利华

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型天线阵面平面度分析与控制

赵希芳，沈文军，马利华

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

天线阵面平面度是雷达结构设计中需要控制的关键指标。文中以某大型固定天线阵面为研究对象，分析了影响阵面平面度的各个因素，对各因素进行了误差分配，制定了各因素的控制方案。介绍了阵面平面度测量方案及天线阵面安装后平面度实测结果，实测数据满足平面度指标要求。该分析和控制方法为同类天线阵面平面度分析提供了参考，具有借鉴意义。

天线阵面；平面度；平面度测量

引 言

天线阵面的平面度是指天线阵面的实际反射面与理想反射面之间的偏差，该偏差会引起天线口面上场的相位误差，使天线增益降低，旁瓣电平增高[1]。因此，天线阵面的平面度是雷达结构设计中要控制的关键指标，正确分析和控制天线阵面平面度已成为低副瓣及超低副瓣天线的关键技术之一[2]。影响天线阵面平面度的因素主要包括天线阵面的制造精度、天线阵面在外载荷作用下的变形、天线阵面的安装误差等。要控制好天线阵面的平面度，首先要对平面度进行合理的分配，对载荷变形进行仿真分析。另外，在设计中应考虑合适的调整措施，在阵面安装后对平面度进行一定范围的调整。

某大型固定式天线阵面口径大，平面度要求高，如何保证天线阵面的平面度要求是结构设计的难点。文中首先对该天线阵面的平面度组成进行了分配，随后对各组成的实现进行了详尽的分析，确定了合理的精度控制方案。实物安装后的精度测量证明该天线阵面的平面度控制方案完全满足指标要求。

1 平面度影响因素分析

某大型固定式天线安装在天线楼斜面上，阵面口径30 m，见图1。为满足天线电讯指标要求，天线阵面的平面度要求≤3.8 mm(均方根)。影响该天线阵面平面度的因素有阵面载荷(重力、风、冰雪、温度)变形、天线阵面的加工制造精度、天线阵面安装精度和天线楼不均匀沉降等。

为降低加工成本和设计难度，在进行方案设计时对天线阵面的分块进行了充分的论证，将天线阵面分成4行15列共60块相互独立的天线子阵面，每个子阵面单独与天线楼安装连接，从而将30 m口径阵面的加工制造精度、安装精度及阵面载荷变形的要求转化为2 m × 7.5 m口径子阵面的要求。

图1 天线阵面安装及分块图

综合考虑各因素对阵面平面度影响的敏感度和实现的难易，误差分配如表1所示。阵面平面度(均方根)为3.59 mm。

表1 阵面误差分配

2 阵面平面度控制

要实现阵面平面度要求，就必须对表1的4个影响因素采取控制措施，实现分配的指标要求。其中，天线楼的不均匀沉降通过天线楼的基建施工来实现，本文不作分析。

2.1 子阵面载荷变形控制

天线子阵面采用箱体结构，箱体骨架采用Q345钢材焊接而成，箱体面板采用铝合金5A05。箱体内部安装电子设备约2 550 kg。子阵面通过4个安装点与天线楼连接。子阵面的设计应满足在外载荷作用下的刚度(变形)要求和强度要求。

根据国军标的相关要求，对子阵面而言，引起结构变形的外载荷包括自重、风载荷、冰载荷和温度载荷，具体的计算工况如下：

工况1：自重+25 m/s风载荷+30 ℃温度载荷作用下，满足变形要求；

工况2：自重+18m/s风载荷+10mm冰载荷+30 ℃温度载荷作用下，满足变形要求；

工况3：自重+45 m/s风载荷+30 ℃温度载荷作用下，满足强度要求；

工况4：自重+25m/s风载荷+50mm冰载荷+30 ℃温度载荷作用下，满足强度要求。

采用ANSYS对子阵面进行有限元建模，子阵面箱体采用SHELL181单元，调整机构采用BEAM188单元，内部设备质量采用MASS21单元。各工况的计算结果见表2。通过计算可知，子阵面的最大变形为0.46 mm，小于分配指标1 mm，满足刚度要求，变形云图见图2。

表2 子阵面力学计算结果

图2 子阵面变形云图(工况2)

2.2 子阵面安装精度控制

为保证子阵面安装精度，消除天线楼沉降对阵面平面度的影响，在子阵面与天线楼安装面之间设计了调整机构，在实现子阵面与天线楼连接的同时，可以进行阵面法向调节。调整机构由蜗轮蜗杆、丝杠螺母、直线导向和球铰等构成，调整量为±10 mm，调整机构结构见图3。

图3 调整机构

每个子阵面通过4个调整机构与天线楼连接。在子阵面安装前，调整机构先安装在天线楼的安装面上，并进行初步调整，保证子阵面安装面的平面度。所有子阵面安装后，若阵面平面度不满足要求，可以通过调整机构调整每个子阵面，使其满足指标要求。

2.3 子阵面制造装配精度控制

子阵面的制造装配精度主要通过先进制造手段来实现：采用反变形控制技术，减小焊接变形；采用大件热处理技术，保证尺寸稳定性；采用数控加工技术，保证尺寸精度一致性。

3 阵面平面度测量

利用工业测量手段和设备对阵面平面度进行测量，才能获得安装后阵面的平面度值。利用调整机构对阵面平面度进行调整也依赖于平面度测量。

大型天线阵面精度测量常用的方法有经纬仪测量、全站仪测量和数字摄影测量等。与其他测量方法相比，数字摄影测量是一种快速、高效、高精度的大平面非接触测量方法，对测量环境的要求低。本天线阵面口径大，测量精度要求高，测量环境比较恶劣，因此采用了数字摄影测量系统，其典型测量精度为1∶105[3]，满足该天线阵面的精度测量要求。

数字摄影测量是一种快速、高效、高精度的大平面非接触测量方法。原理是基于数码相机图像的三维重构，数学上是求解物体三维空间到数码相机二维CCD平面的映射关系。主体包括高分辨率数码相机、 定向反光标志(靶标)和数据处理软件3部分，图4为数字摄影测量的基本原理。

图4 数字摄影测量原理

阵面平面度的测量分为3部分：

1)在天线阵面安装前，将调整机构安装在天线楼的安装面上，在调整机构上黏贴靶标，采用数字摄影测量系统对调整机构组成的阵面安装面的平面度进行测量。对超差的点采用调整机构进行调整并重复测量，保证安装面的平面度小于1 mm。

2)60个子阵面全部安装到位后，在子阵面上黏贴靶标，测量平面度，若平面度超过指标要求，采用调整机构进行调整并重复测量，确保阵面平面度满足均方根小于3.8 mm的要求。

3)为消除天线楼不均匀沉降对阵面平面度的影响，需定期对阵面进行测量，若平面度超过指标要求，采用调整机构进行调整并重复测量，确保阵面平面度满足均方根小于3.8 mm的要求。

4 阵面平面度控制结果

根据控制方案进行了天线阵面设计、生产加工、安装和测量。60个子阵面制造装配后的平面度均小于1 mm。所有子阵面安装到位后，采用数字摄影测量系统对安装在天线楼上的天线阵面进行了平面度测量，实际平面度为3.3mm，满足阵面平面度指标要求，30 m口径天线阵面一次安装成功。

5 结束语

天线阵面平面度对天线电性能有至关重要的影响，应该在方案论证阶段就对平面度的影响因素进行全面分析，对各因素分配合理的控制指标，并制定相应的控制措施，在设计、生产装配、安装与测量的过程中全程控制。在阵面的安装面预留调整机构是保证天线阵面平面度的最经济有效的措施。

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

[2] 吴在东. 模块化雷达天线阵面平面度误差分析及软件开发[J]. 电子机械工程, 2006, 22(6): 33-36.

[3] 李广云, 李宗春. 工业测量系统原理与应用[M]. 北京: 测绘出版社, 2011.

赵希芳(1977-)，女，硕士，高级工程师，主要从事雷达结构设计工作。

Analysis and Control of the Flatness of Large Size Antenna Array

ZHAO Xi-fang，SHEN Wen-jun，MA Li-hua

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Flatness of antenna array is a key point needing control in radar structure design. This article carries out analysis on the flatness of a large size stationary antenna array. All factors affecting the flatness of antenna array are analyzed, errors are distributed among these factors, and the control schemes of these factors are established. The measuring method of the flatness of antenna array is described and the actual measuring result after installation is given. The actual measuring data satisfy the flatness requirement. The analysis and the control schemes in this article can provide reference for the flatness analysis on other similar antenna array.

antenna array; flatness; flatness measurement

2014-02-10

TN823+.27

A

1008-5300(2014)02-0037-03