赵武林，李 燕

(1. 中国电子科技集团公司第三十九研究所， 陕西 西安 710065；2. 陕西省天线与控制技术重点实验室， 陕西 西安 710065)

引 言

对于抛物面天线而言，当其口径大于10 m时我们称之为大型天线或大口径天线[1]。众所周知，大型天线在深空探测等领域发挥着不可忽视的作用[2]。由于大型天线的主面精度和其结构设计密不可分，同时主面精度又是评价和衡量大型天线性能指标的关键参数，因此，大型天线的结构设计可谓是大型天线设计过程中至关重要的环节。为了提高天线主反射面精度，结构设计师们采取了一系列办法，但主要是直接针对天线反射体结构，提高反射体背架的结构刚度，却忽略了天线俯仰架结构对天线精度的影响。大型天线的俯仰架结构，主要指天线座的俯仰转动部分，承担着承上启下的作用：一方面为天线反射体的安装和固定提供基础；另一方面俯仰架中的俯仰框架通过其俯仰轴和天线座架相连，实现天线全可动功能。在大型天线中，俯仰架和天线反射体紧密相连，其结构变形直接影响天线反射体的结构变形，从而影响反射体的精度。在国外有些文献里，俯仰框架直接作为天线反射体的一部分，或者说是其延伸。因此，俯仰架结构是天线结构中的关键部分，直接影响反射体的精度是否能达到设计目标。

1 俯仰架结构与主反射面保型设计

天线主反射面是安装固定在天线背架结构上实现电磁波反射功能的结构，整个背架结构通过俯仰架的安装固定在天线座架上，以实现天线全方位的运动功能。然而，在自重以及外载荷作用下，整个天线结构系统(包括天线主反射面及背架结构)均将不可避免地发生结构变形，因此需要采取一些巧妙的结构形式，来确保在发生结构变形后主反射面相对于理论反射面的面型精度在可控和可用范围内，即主反射面的保型设计。为保证主反射面的精度，主要采取以下措施。

1.1 伞形支撑结构的使用

在早期大天线设计中，由于俯仰大齿弧和配重集中作用在天线中央区域，使天线呈船型变形，不够均匀，因此反射面精度不甚理想。德国Effelsberg 100 m射电望远镜[3]，其设计采用伞形支撑结构，将俯仰齿轮及配重产生的力分散到天线各个部分，避免由于集中载荷引起天线不均匀变形。因此，大型天线背架结构采用成熟的伞形支撑结构，摒弃传统的天线结构设计理念——反射体支撑越强越好，而是采用等刚度设计理念，即用伞形支撑结构将俯仰大齿弧和配重以及俯仰座架对反射体的作用力均匀分散到反射体上，将传统设计中反射体和背架连接强的地方削弱，连接弱的地方加强，从而实现反射体背架相等刚度设计。图1为伞形支撑原理简图。由图可知，采用伞形支撑结构后，由伞形支撑结构代替传统天线结构中俯仰轴承和俯仰大齿弧对反射体的直接支撑。反射体和座架之间的连接靠伞形支撑结构顶端以及俯仰框架十字框架中心点来实现，使直接支撑变为间接支撑，这两点支撑均在反射体轴线上，同时伞形支撑对反射体的支撑在同一圆面上，因此能实现对反射体呈辐射状支撑的作用。

图1 伞形支撑原理

图2所示为某大天线的伞形支撑结构，该天线伞形支撑结构形成24边框，这24个点均匀支撑在反射体背架上。同时释放掉俯仰大齿弧、俯仰轴承座和反射体之间的直接约束，降低了俯仰大齿弧和配重对反射体背架变形不均匀性的影响。

图2 大型天线伞形支撑结构

1.2 俯仰十字框架

俯仰十字框架是实现天线俯仰转动的关键连接部位[4]。大型天线设计中，两俯仰轴承呈对称分布在天线两侧，两者之间距离很大，俯仰大齿弧半径也很大，若按传统结构设计，这4点直接和反射体背架相连，会使俯仰轴处对反射体约束太强，俯仰大齿弧两端对反射体的附加载荷太大，导致反射体变形不够均匀。因此，可以采用俯仰十字框架的结构，其原理图如图3所示。在该俯仰十字框架中，其4个端点分别为两俯仰轴承和两俯仰大齿弧的端点，将俯仰大齿弧的载荷直接传递给俯仰轴承。同时将俯仰轴同伞形支撑交汇点直接相连，交于俯仰大齿弧底部，使得整个俯仰框架和俯仰大齿弧构成一个刚性均匀的整体，大大提高了天线的抗扭转能力。该结构能够将反射体作用于伞形支撑的载荷以及俯仰大齿弧所承受的载荷传递到俯仰轴两端，便于进一步传递给俯仰座架。

图3 俯仰十字架原理简图

1.3 副面(馈源)撑调机构独立支撑

在传统天线结构设计中，为了便于结构安装，常常将副面(馈源)撑调机构支撑在反射体背架上。然而，对大型天线而言，由于副面(馈源)撑调机构距离俯仰轴较远，因此，在重力和外载荷作用下，该部分结构将会产生较大的弯矩，尤其是天线在低仰角上工作时，将尤为明显，使反射体产生不均匀变形，严重影响主反射面精度。为了降低副面(馈源)撑调机构对反射面精度的影响，可以将副面(馈源)撑调机构独立支撑在俯仰架上，而不是支撑在天线反射体上，实现副面(馈源)撑调机构和反射体之间相互独立的支撑关系。在大型天线反射体结构设计中，将对反射体背架影响大的两根副面撑调机构的支撑结构直接支撑在俯仰大齿弧上，有效地避免了副面撑调机构对反射面精度的影响，如图4所示。

图4 副面撑调结构独立支撑

在上述设计方法中，伞形支撑和俯仰十字框架构成大型天线的俯仰架结构。采用该种俯仰架结构后，可以将俯仰架与反射体背架的连接平面(即反射体的支撑平面)，设计成一个完全等刚度面，以实现反射体变形的均匀化和连续化。再结合副面(馈源)撑调机构独立支撑技术的使用，能够很好的实现大型天线的保型设计。

2 俯仰架及保型设计应用

由以上的分析和描述可以看出，巧妙的俯仰架结构是发挥天线保型设计的基础和前提，不同的俯仰架结构将导致不同的保型效果。图5为用Ansys软件[5]计算出的某大天线分别采用传统俯仰架结构和前文所述俯仰架结构时的变形云图。从图5(a)和图5(b)的对比可以看出，采用新型俯仰架进行保型设计后天线变形均匀性得到了大幅提高，变形后仍然保持了圆形，从而为天线保型设计创造了条件。下面介绍3种典型的大天线俯仰架结构。

图5 天线变形云图

2.1 某Q频段40 m俯仰架

40 m射电望远镜，最高工作到Q频段，对主面精度要求很高。该天线的俯仰框架(如图6所示)与前面介绍的形式有所不同，该俯仰框架中将前述的俯仰十字框架设计成刚度更好的空间桁架结构。同时将伞形支撑直接连接在该桁架结构底部，而不是反射体(中心体)底部。该种结构形式的俯仰框架由于未将俯仰大齿弧和俯仰轴承座对反射体的影响分离开，因此其俯仰框架必须要设计成高刚度才能平衡俯仰大齿弧和俯仰轴承座对框架整体不均衡支撑，从而均衡反射体的支撑刚度和变形。该种结构形式的优势在于俯仰框架的整体结构强度好，缺点在于俯仰框架结构复杂，重量较大，且很难有提升空间。该天线在俯仰角为64°预调后，在0°～90°范围内，吻合精度优于0.18 mm(rms)，效果是非常理想的。

图6 40 m俯仰架结构

2.2 70 m天线俯仰架

70 m天线中，其俯仰框架结构形式为标准的伞形支撑加俯仰十字框架的结构形式，如图7所示。由于该天线座架尺寸的限制，伞形支撑与辐射梁没有像伞形支撑原理图中，伞骨与辐射梁下弦成为一条直线，对结构变形有影响，但在可控范围内。该天线在10°～70°范围内，吻合精度优于0.4 mm(rms)，达到了比较理想的吻合效果。如果在该70 m天线上采用如前所述40 m天线的俯仰框架结构形式，其精度将很难达到预期的效果。

图7 70 m天线局部效果图

2.3 某100 m天线俯仰框架

某100 m天线由于采用了小座架，两俯仰轴距离较近，因此限制了其俯仰框架的尺寸。为了匹配天线中心体和座架之间的尺寸，该天线的俯仰框架采取了类似于前述40 m天线的结构形式，如图8所示。为了给反射体背夹提供足够的刚度，俯仰框架上部分桁架结构高度达到3 m，最终达到了预期的精度指标要求。该天线在38°预调后，天线在俯仰15°～85°范围内，其吻合精度能够达到1.8 mm(rms)。

图8 100 m俯仰架结构

3 结束语

从上面的分析可以得出以下结论：

1)俯仰架结构对于大型天线结构设计至关重要，其结构形式直接关系到大型天线的保型效果和主面精度。

2)带伞形支撑的俯仰架结构对改善结构变形均匀性、提高主反射面精度具有很好的效果。

3)俯仰架和反射体背架的连接结构和支撑位置直接影响到两者之间的传力路线，关系到反射体背夹的支撑刚度和变形趋势，影响到反射体的保型设计效果。

4)副面(馈源)撑调机构和反射体背架的相互独立支撑减小了该部分结构对反射体的影响，提高了反射体的精度。但由于副面(馈源)撑调机构和反射体背夹结构的相互独立，导致失去了副面(馈源)相对于主反射面的位置关系，因此，在设计副面(馈源)撑调机构时，需要匹配好该部分结构和反射体结构之间的变形，以达到天线良好的综合性能指标。

文中描述的几种俯仰架结构形式的变形精度均达到了指标要求，也各有优缺点，在此就不再赘述。在实际结构设计中可根据实际情况选择合适的结构形式，也可以根据需要设计新型的俯仰架结构形式，以实现相应的指标要求。