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摘 要：低对流层风廓线雷达是我国研制的新型气象雷达，介绍了低对流层风廓线雷达天线的结构设计和力学分析计算，并着重介绍了独特的Co-Co天线结构。
关键词：风廓线雷达；Co-Co天线；结构设计；力学分析
1 概述
某型低对流层风廓线雷达是P波段多普勒相控阵雷达，探测大气流后向散射信号，利用三轴测量方法得到各层大气三维风场信息。工作方式为全自动、无人值守、不间断连续工作，并可遥控、遥测。因此，要求雷达具有高可靠性、高自动化程度、适应野外恶劣环境的性能。
天线系统是低对流层风廓线雷达的重要组成部分。该天线是平面相控阵天线，由Co-Co天线阵、反射面、屏蔽网组成。Co-Co天线阵位于反射面上，上、下两层天线阵均由十六行Co-Co天线排列而成。两层Co-Co天线相互正交，通过支撑件固定于反射面骨架上(见图1)。 （图片） 天线阵面水平放置。由于反射面下安装有馈线网络，必须保证人能进入维修，而且反射面高度又要尽可能低(为了降低屏蔽网高度)，因而确定反射面距地面0.85 m,通过十二个支架与地面固定。
为了消除地面物体的影响，在天线四周加屏蔽网，呈10m×10m的正方形，高3 m，形成18°的阻挡角。屏蔽网垂直固定于地面，每个面的外侧有四个斜撑。
天线结构主要技术指标见表1。（图片） 2 天线结构设计
2.1 Co-Co天线结构设计
Co-Co天线子阵由同轴线单元共线排列而成。相邻单元的内、外导体交叉联接，外套直径25 mm、壁厚1.5 mm的环氧玻璃布管，在管内发泡固定同轴线单元(见图2)。这样，同轴线单元成为一体，使整个Co-Co天线具有一定刚度。环氧玻璃布管具有很好耐腐蚀能力，能够适应野外恶劣环境。Co-Co天线的中央馈电头固定于反射面上，两端也通过支撑件与反射面联接。（图片） 对Co-Co天线做强度校核。由于Co-Co天线是三点支撑，因此可将其简化为图3所示双跨连续梁。Co-Co天线主要受风力作用，与风力相比自重很小，忽略不计。（图片） 单位长度载荷为：（图片） （图片） 环氧玻璃布管〔σ〕=60 MPa,因此Co-Co天线是安全的。
2.2 反射面结构设计
天线反射面是6.9 m×6.9 m的平面。为便于运输，将其分成六块，每块2.3 m×3.45 m。由于反射面平面度要求不高，而且水平放置，受力较小，因而反射面采用片状结构，厚度50 mm(反射面厚度小，有利于屏蔽网高度的降低)。为了减轻重量，采用角钢和槽钢焊成框架，上铺铁丝网形成反射面。
为了满足反射面的设计精度，对反射面进行力学分析计算。这里，运用有限元法进行计算。将反射面框架简化成有限元模型，共有312个梁单元。约束12个支撑点对应节点的3个移动自由度。由于反射面是水平放置的片状结构，因而其风载荷忽略不计，主要外载荷是安装在其上的Co-Co天线的支反力和其下的馈线网络重量以及冰载荷。将Co-Co天线支反力和馈线网络重力载荷施加到相应的安装点上，冰载荷150 Pa平均施加到各个节点上。利用有限元计算程序SAP91进行计算，从计算结果可知，反射面最大变形为3.8 mm(见图4),满足其平面度要求。（图片） 2.3 屏蔽网结构设计
屏蔽网为10 m×10 m的正方形，高3 m。为了便于制造和运输，将其设计成2 m×3 m的单块，每面由5块拼装而成，共20块。单块屏蔽网用角钢焊成目字形框架，再铺上铁丝网，以减小风阻力和重量。
对屏蔽网进行强度较核。同样将其框架及斜撑简化成有限元模型(见图5)，共有156个梁单元。屏蔽网垂直立于地面上，将其与地面固定点所对应节点的自由度全部约束。屏蔽网的外载荷主要是风阻力。对于方形结构，当风沿对角线方向吹时，风阻力最大。（图片） 对两种工况进行分析：
工况一：风力方向与屏蔽网面成45°，风速为60 m/s。（图片） 式中，C为风阻系数；A为风阻面积，m2；V为风速， m/s；Φ为实体比；K为实体比的函数。
屏蔽网的网孔为10 mm×10 mm的正方形，线径1.2 mm，因而：（图片） 一面的风载荷F=9.8×0.095×(30×cos45°)×602/16=4443 N。
将此载荷分别加到四个面上( 因前后面距离相对于铁丝网线径来说很大，不考虑遮蔽效应)。
工况二：风力方向与屏蔽网面成45°，风速22m/s2,冰载荷150 Pa。
对于网状面，在积冰时所受风力，必须按实体来计算，前两个面风阻系数C=1.2。后两个面由于遮蔽效应影响，风载荷分布比较复杂，为简化计算取风阻系数C=0.4。
前两面的风载荷F=9.8×1.2×(60×cos45°)×222/16=15092 N。
后两面的风载荷F=9.8×0.4×(60×cos45°)×222/16=3773 N。
将风载荷分别加到前后面上。冰载荷加到四个面上(方向与重力方向相同)。
对上述两种工况运用SAP91程序计算可以得出：工况一的最大应力为62 MPa；工况二的最大应力为128 MPa，均小于钢Q345的许用应力160 MPa(安全系数2)。因而，屏蔽网是安全的。
3 天线结构特点
该型天线是相控阵列天线，两层各16行，368个单元。天线单元为同轴线，每行相邻两单元交叉串馈，这是该型雷达的特点之一。由于同轴线内导体很细易变形(Φ1.4 mm)，外导体又是一细长管(Φ9 mm×220 mm)，这就难以保证内外导体的同轴度，而且内外导体之间均匀充填聚四氟乙烯介质也很困难(充填介质是为了减小单元尺寸)，单元间的交叉串馈也是一个难点。另外，若每个单元单独支撑固定，则增加了结构复杂程度，提高了对反射面的要求。因此，天线阵的结构设计就成了整个天线系统设计的关键。
首先，为了减少单元支撑，采用子阵结构，设计了十单元和八单元两种共线排列的子阵(Co-Co天线)，整个子阵固化成一体，通过中央馈电头和两端支撑件固定于反射面骨架上。Co-Co天线长度在2 m左右，制造、安装和运输都比较方便。其次，采用同轴电缆作单元，为了使单元具有刚性，去除电缆护套和铜线编织的外导体，保留介质和内导体，套上壁厚1 mm的铜管作外导体。单元内导体延伸出来打弯后直接与相邻单元的外导体焊接(见图2)，这样就实现了交叉串馈。单元外套环氧玻璃布管，在其内进行聚氨脂发泡固定单元，形成子阵结构的整体性，并具有一定的刚度，同时实现了单元的密封防潮。
采用上述设计方法，结构简单，加工方便，降低了制造成本。整体性结构、简单可靠的联接方式，满足了雷达高可靠性的要求。
4 结束语
风廓线雷达技术发展于上世纪60年代后期，80年代中期开始使用。国内风廓线雷达技术最早开发于80年代末，低对流层风廓线雷达是我国研制的新型气象雷达，具有90年代国际水平。该雷达天线系统在结构性能指标方面完全达到总体技术要求。另外，在天线的拆装方面还有待完善，以推进该型雷达的发展。
参考文献：
1 刘鸿文.材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，1992.
2 叶尚辉,李在贵. 天线结构设计［M］. 西安：电子科技大学出版社，1988.
3 朱以文. 有限元专用CAD系统ViziCad及其使用［M］. 水电部天津勘测设计院. 北京四通集团武汉四通公司，1991.
3/13/2005
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