i i i ii i ii i 1 11 1 111 1 111 1l y 2 0 6 7 17 2 摘要 天線罩結構的強度、剛度和穩(wěn)定性對其內部天線整體電性能的發(fā)揮有著極其 重要的影響。因此天線罩的結構分析是工程界十分關心的問題。 首先，本文將目前國內外的各種球形天線罩，按結構形式進行分類，并在此 基礎上對各種天線罩結構原理、優(yōu)缺點進行了分析說明，為大型截球形天線罩的 結構分析做必要的準備；對各種大型球形天線罩的板塊劃分方法和原理進行詳細 的介紹，并對其制造安裝及工藝成型技術，進行了較為深入的研究和分析。 然后，利用a n s y sm e c h a n i c a la p d l 語言對風載荷進行離散化處理；就風的 基本特性進行了必要的描述和探討，采用諧波合成法，用m a t l a b 軟件，實現(xiàn)了 隨機風速的模擬。 最后，利用有限元分析軟件和作者編制的風荷自動加載程序，對直徑4 0 m 的 光滑球形天線罩進行了靜態(tài)分析、動態(tài)分析及穩(wěn)定性分析；并對直徑9 1 4 4 m 板塊 劃分球形天線罩進行了靜態(tài)分析，探索了分塊對其力學性能的影響。 關鍵詞：大型球形天線罩板塊劃分介質罩有限元結構分析 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n ai sa f f e c t e db yt h es t i f f n e s s ，i n t e n s i t ya n d s t a b i l i t yo ft h er a d o m es t r u c t u r e h e n c e ，t h es t r u c t u r a la n a l y s i so fr a d o m ei sv e r y c o n c e r n e db yt h ed e s i g n e r s f i r s t l y , av a r i e t yo fd o m e s t i ca n df o r e i g ns p h e r i c a lr a d o m e sa lec l a s s i f i e db yt h e s t r u c t u r ei nt h i st h e s i s b a s e do nt h i s ，t h ep r i n c i p l eo fv a r i o u sl a r g es p h e r i c a lr a d o m e s t r u c t u r ea n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa l ea n a l y z e da n de x p l a i n e d ，w h i c h m a k e san e c e s s a r yp r e p a r a t i o nf o rt h ea n a l y s i so fl a r g es p h e r i c a lr a d o m e t h ed e t a i l e d i n t r o d u c t i o ni sg i v e na b o u tt h em e t h o da n dp r i n c i p l eo fi t sp a r t i t i o n i n g t h es t u d ya n d a n a l y s i sa r ec a r r i e do u to ni t sm a n u f a c t u r e ，i n s t a l l a t i o na n df o r m i n gp r o c e s s s e c o n d l y , aw i n dl o a di sd i s c r e d i t e di na n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) ； t h eb a s i cc h a r a c t e r so fw i n da r ed e s c r i b e da n dd i s c u s s e d a n dt h es i m u l a t i o no fw i n di s a c c o m p l i s h e db yt h ew a v es u p e r p o s i t i o nm e t h o di nm a t l a bs o f t w a r e f i n a l l y , t h es t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i sa n db u c k l i n ga n a l y s i so ft h ed i a m e t e r 4 0 mr a d o m es t r u c t u r ea l ec a r r i e do u tb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e p r o c e d u r ef o ra p p l y i n gw i n dl o a da u t o m a t i c a l l y , t h ei n f l u e n c eo fb l o c ko nt h e m e c h a n i c sp r o p e r t i e so ft h er a d o m ei se x p l o r e db yt h ea n a l y s i so ft h ed i a m e t e r9 14 4 m r a d o m e k e y w o r d s ：l a r g e - s c a l es p h e r i c a lr a d o m es l a bd i v i s i o nt h ed i e l e c t r i cr a d o m e f i n i t ed e m e n tm e t h o ds t r u c t u r a la n a l y s i s 第一章緒論 第一章緒論 1 1 天線罩的產生及作用 天線罩是為保護天線免受自然環(huán)境影響的外殼。天線罩一詞是從英文 r a d o m e ( r a d a r d o m e ) 翻譯過來的。它是由天然或人造電介質材料制成的覆蓋物，或 是由桁架支撐的電介質殼體構成的特殊形狀的電磁窗口。它用來保護天線或整個 微波系統(tǒng)( 包括天線和通信系統(tǒng)) 不受環(huán)境影響而損壞。用于雷達天線的罩有時又稱 為雷達罩；而供彩電中心、微波塔樓、微波中繼站、保護通信天線及微波設備電 磁窗口用的罩稱為天線罩及微波透波墻；天線饋源和相位校正透鏡用的罩稱為饋 源罩。上述雷達罩、天線罩、微波透波墻和饋源罩都是在透過電磁波的情況下用 的，可統(tǒng)稱為天線罩【l 】。 設計高性能的天線罩除了具有保護性、傳導性、可靠性、隱蔽性和裝飾性等 功能外，從經濟效益上考慮，還有保護天線系統(tǒng)免受強風、酸雨、大雪、冰雹和 烈日等破壞性影響，延長整個系統(tǒng)各部分的使用壽命、降低使用成本和操作成本、 簡化設計、降低維修成本、保證天線表面和位置的精確度、創(chuàng)造良好的工作環(huán)境 等方面的優(yōu)點。但天線罩也將對理想的電磁輻射產生影響，使理想的天線性能稍 有降低。因此，天線罩設計是結構設計與電性能設計相結合的復雜設計【2 1 。 天線罩是天線系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為天線系統(tǒng)的“電磁窗口 。天線罩 對改善天線特別是天線饋線伺服系統(tǒng)的使用環(huán)境有積極的作用。其中飛行器天線 罩位于飛行器的頭部，多為錐形，有時也有半球形，具有導流、防熱、透波、承 載等多種功能。天線罩既是制導武器彈頭結構的重要組成部分，又是保護天線系 統(tǒng)不受高速飛行造成的惡劣氣動環(huán)境影響、正常進行信號傳輸工作的屏障。在一 些高寒地區(qū)、戈壁沙漠、海島、特殊氣候地理條件下，天線罩更是不可缺少的。 一些測量精度要求很高的天線，如大型多目標相控陣測量天線、毫米波相控陣測 量天線、精密跟蹤測量天線，為了確保天線座、天線不受風力、陽光照射引起溫 差的變形而帶來的精度下降，都要求配備天線罩。天線性能的提高，給天線罩的 設計、材料選擇和加工工藝以及測試方法帶來了有挑戰(zhàn)性的課題【3 】。 1 2 天線罩的發(fā)展過程及現(xiàn)狀 天線罩是隨著微波天線的發(fā)展而發(fā)展起來的。在第二次世界大戰(zhàn)前后，由于 2 大型天線罩的結構分析 形勢的需要，雷達天線的發(fā)展突飛猛進，天線工作的波長日益變短，精度要求越 來越高，于是保護天線用的天線罩應運而生【4 1 。較早期的天線罩是飛機上用的小型 流線型罩，結構簡單，其后出現(xiàn)了大型地面天線罩。如1 9 4 6 年，美國康奈爾( c o m d l l 航空實驗室進行了充氣天線罩的研制，生產了直徑1 6 8 m 的充氣天線罩原理樣機， 并于1 9 4 8 年安裝在美國紐約西部的港口布法羅( b u f f l o ) ，1 9 5 5 年就有數(shù)百個這樣 的天線罩為美國陸軍服務。為了克服充氣天線罩結構上的不足，使之適應更惡劣 的環(huán)境，1 9 5 2 年美國開始研制剛性天線罩。1 9 5 4 年，成功研制了直徑9 5 m 的3 4 截球體增強塑料剛性天線罩。1 9 5 5 年美國在北極安裝了直徑1 6 8 m 的剛性天線罩， 并于1 9 5 6 年完成了直徑9 5 m 金屬桁架天線罩的模擬電信實驗，使剛性天線罩的 發(fā)展向前跨了一大步。當時最大的天線罩“赫斯臺克 ( h a y s t a c k ) 就采用了金屬空 間骨架的結構形式，直徑達到了4 5 7 5 m 。到了7 0 - - 8 0 年代金屬空間骨架罩成為主 流天線罩，用于通訊天線、雷達和射電天文望遠鏡【5 1 。近十幾年來，隨著新材料的 不斷涌現(xiàn)，工藝水平的提高，同時高性能雷達對天線罩的要求不斷提高，使天線 罩的研制開始向高性能方向不斷努力，各種高性能的大型復合材料介質天線罩也 應運而生。美國將橢球形天線罩與相位校正透鏡相結合，用于機載預警雷達，使 天線罩的設計達到了高峰【6 】。 在國外，對于大型天線罩結構研究，美國起步較早。上世紀7 0 年代，美國對 大型金屬空間桁架天線罩( m s f ) 在概念設計、理論分析方法、具體應用技術開發(fā)等 方面進行了深入系統(tǒng)的研究，最終成功開發(fā)出了直徑為4 7 7 5 m 的大型天線罩。 8 0 9 0 年代e s s c o 品牌的此類天線罩技術上逐漸成熟。美國通信天線公司( a f c ) 研制的大型介質天線罩也大量的用于軍事、航空、氣象、天文觀測等領域。目前 各種高性能的大型空間薄壁、金屬空間骨架和各類介質夾層天線罩成為各國研究 的重點。在結構強度分析方面，主要根據天線罩的材料特性，利用先進的有限元 軟件對大型桁架結構進行各種載荷組合下的強度分析和校核，從而使這些地面截 球天線罩的環(huán)境設計溫度可滿足5 5 計7 0 ，抗風設計能力都達到5 7 7 5 m s ，甚至 更高【7 】。為了得到更高的電性能要求，減少電損耗，在復合材料成型工藝研究方面， 利用復合材料液體模塑成型技術( l i q u i dc o m p o s f f em o l d i n g ) ，簡稱( l c m ) 及新型的 真空輔助注射技術( v a r t m ) ，保證了天線罩材料的介電性能和均勻性要求，使成 型的大型曲面介質復合材料板塊的結構特性和電性能特性大大提高。n i p p o n 天線 公司( e u ) 2 0 0 4 年成功研制出直徑2 6 1 4 m 幾乎整體的大型剛性球形夾層天線罩。由 于天線罩用于天線性能測試，對整個罩體的板塊型面和邊界對接精度要求很高， 對接邊界采用高精度的5 坐標數(shù)控機床加工成型，使得板塊之間鑲嵌達到了無縫 膠結，整罩無任何金屬連接。這種天線罩的材料和成型工藝成本非常昂貴，但電 性能達到非常理想的效果【8 】。美國2 0 0 5 年5 月成功制造和安裝了“海基”x 波段的 充氣天線罩，天線罩重1 8 0 0 0 磅( 8 1 6 5 k g ) ，高1 0 3 英尺( 3 1 4 m ) ，直徑3 6 m ，采用 第一章緒論 3 高科技整體復合材料膜制造，抗風能力達到5 7 m s 。國外對大型天線罩的結構、電 性能及介質材料的工程應用方面都有相當豐富的理論和工程積累【9 】。 在國內，我國天線罩的研究起步于2 0 世紀5 0 年代。1 9 6 5 1 9 7 2 年，南京十四 所、上海玻璃鋼研究所和上海耀華玻璃鋼廠合作，研制出我國當時最大的玻璃鋼 蜂窩夾層桁架天線罩，直徑達4 4 m 【1 0 】。1 9 7 5 后哈爾濱玻璃鋼研究所以介質空問桁 架薄壁天線罩和金屬空間骨架天線罩為研究方向，上海玻璃鋼研究所以介質夾層 天線罩為研究方向 i q 。到2 0 世紀末，己生產直徑3 - 2 8 m 的地面截球天線罩2 0 0 多部。近年來隨著我國大型高性能雷達的相繼問世，對大型高性能天線罩的需求 也十分迫切，尤其是對天線的低副瓣性能影響較小的大型天線罩，哈玻所相繼研 制出c 波段、p l 波段和s 波段的大型高性能天線罩。另外上海之合玻璃鋼有限公 司、上海玻璃鋼研究所等單位在高性能雷達天線罩方面也取得了一定的成果，成 功研制了l s x 大型寬頻段高性能雷達天線罩。這些天線罩大都采用了玻璃鋼蜂 窩或泡沫夾層板結構，板塊采用準隨機、隨機分割板塊使電性能和結構強度得到 了很大提高，抗風能力達到了6 7 m s ，上海之合玻璃鋼有限公司2 0 0 5 年成功的研 制了用于高增益天線的4 0 m 大型介質桁架天線罩。“十五”期間我國對遠程精密跟 蹤測量雷達的研制加大了投入，與之配套的大型金屬桁架天線罩也進入到工程研 制階段。中電1 4 所、南京理工大學和相關單位對其進行了較為深入的研究試驗， 并利用有限元方法對天線罩結構載荷進行分析，在大型天線罩結構理淪研究方面 取得了豐富的成果，此工程現(xiàn)已進入現(xiàn)場施工階段【1 2 1 。 我國大型天線罩的研制在結構工程研究方面已經取得了相當大的進步，與國 外相比，在與天線罩密切相關的優(yōu)化分析、基礎材料方面還有差距，需要完善。 一些用于大型天線罩的高性能的介質基礎材料還不能自主生產，基礎材料研制和 加工工藝上的差距尤為明顯，因此還需要工程科技工作者的不斷努力。 1 3 本文的研究背景 近幾十年來，經濟發(fā)達國家根據雷達、天線等無線通信設備的功能用途，至 今已研制了形形色色用途各異的天線罩。它們在航空航天、氣象、軍事、通訊領 域發(fā)揮著巨大的經濟社會效益，滿足了高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性雷達設備對 使用環(huán)境的特殊要求。大型天線罩工程涉及材料科學、電子、機械、計算機軟件 仿真分析、工程施工技術等，也是一個國家綜合科技水平的標志。特別是近二十 年，發(fā)達國家的天線罩技術已經取得了長足的進步。與發(fā)達國家相比，由于材料 等基礎科學的研究起步較晚，使得我國在天線罩的結構工程化研究上還有一定差 距。 隨著我國航空、氣象及軍事技術的進步和軍事形勢的發(fā)展，進行遠程精密跟 4 大型天線罩的結構分析 蹤測量雷達等高精度雷達和高增益天線的研究與制造已成為緊迫的任務，而這些 天線系統(tǒng)口徑大、精度要求高，特殊地理位置的自然環(huán)境對設備的影響較大，配 備大型天線罩成為這些雷達、天線必不可少的要求。因此大型天線罩的工程應用 需求變得越來越迫切，并且對天線罩的結構提出了越來越高的要求。 1 4 本文的主要工作 本學位論文以直徑4 0 m 的光滑球形天線罩和直徑9 1 4 4 m 的板塊劃分球形天線 罩為工程背景，介紹了天線罩的結構分類、板塊劃分及制造安裝；對隨機風速及 風載荷的模擬進行了詳細的研究；并以商業(yè)有限元軟件a n s y s 為工具，對兩個天 線罩模型進行了結構分析。概括起來本文的工作可以歸納為以下幾個方面： 第一章緒論。介紹了天線罩的產生及作用，根據天線罩的發(fā)展過程及國內 外的發(fā)展現(xiàn)狀提出本文的研究背景，并闡述了本文的主要工作。 第二章天線罩的結構形式研究。首先研究了天線罩的結構分類；根據天線 罩內天線的電性能指標，推導出了天線罩的壁厚計算公式；接著詳細的介紹了天 線罩的板塊劃分方法及原則；最后總結了大型介質天線罩的材料成型工藝和現(xiàn)場 的安裝情況。 第三章風載荷的離散及隨機風的數(shù)值模擬。首先闡述風的特征、結構上風 載荷的計算；接著用a n s y sm e c h a n i c a la p d l 語言對靜風荷進行離散化處理；重 點討論脈動風的特性，介紹用諧波合成法模擬隨機風速，給出將風速轉化為風荷 梯度的計算方法：最后用m a t l a b 編程，實現(xiàn)隨機風速的數(shù)值模擬并給出了隨機 風速與風載荷的關系。 第四章天線罩的結構分析。首先以有限元方法中的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、 及瞬態(tài)分析理論為基礎，結合a n s y s 有限元分析軟件和作者編制的風荷自動加載 程序，對直徑4 0 m 天線罩結構進行了靜力分析、模態(tài)分析、隨機風荷作用下的瞬 態(tài)響應分析；接著對直徑9 1 4 4 m 的板塊劃天線罩進行了結構分析，探索了板塊劃 分對天線罩力學性能的影響；最后綜合分析結果，驗證結構是否滿足剛度和強度 設計要求。 第五章直徑4 0 m 天線罩的穩(wěn)定性分析。首先介紹穩(wěn)定性分析的基本理論和 a n s y s 中的屈曲分析；接著對直徑4 0 m 天線罩結構進行在均勻外壓作用下和 5 7 m s 風載荷作用下的穩(wěn)定性分析，并給出前六階的屈曲模態(tài)；最后與解析解進行 對比，驗證結構的穩(wěn)定性。 第六章總結與展望?？偨Y本文研究工作的成果與結論，并對以后進一步的 研究工作提出展望。 第二章天線罩的結構形式研究5 第二章天線罩的結構形式研究 2 1 引言 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，天線的作用越來越重要。而天線罩是隨著天線、 通訊科技的發(fā)展需要而誕生的一種空間結構體。無論何種形式的天線罩都是天線 前面的障礙物，對天線輻射波會產生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布， 并在一定程度上影響天線的電氣性能。因此隨著天線性能要求的提高，對天線罩 的研制也提出了新的課題：選用哪種類型的天線罩，天線罩的板塊劃分方法，天 線罩組成材料的選取及天線罩的制造和安裝等。這些因素直接影響天線罩的性能， 進而對天線產生影響。因此，有必要對上述的諸因素進行深入的研究。 2 2 1 按截面形式分類 2 2 天線罩的結構分類 豳 目霧 叨 圖2 1 各種截面的結構形式 一單層；一介質芯a 型夾層；一蜂窩a 型夾層；一b 型夾層 一c 型夾層；一多層結構；一具有金屬含物夾層 6 大型天線罩的結構分析 各種截面形式的具體描述如下。 均勻單層結構 均勻單層結構分為兩種：一種是壁厚遠小于介質波長，如1 1 0 - i 2 0 介質波長， 稱為薄壁結構。它比較適用于波長比較長的天線，通常l o c r a 以下波段的天線采用 這種結構形式。另一種是壁厚相當于介質波長一半的整數(shù)倍，稱為半波壁結構。 a 型夾層結構 a 型夾層結構包括介質芯a 型央層和蜂窩a 型央層。它是由兩層比較致密的 薄的表面層和低介電常數(shù)、低損耗角正切、低密度的中間層組成，這種結構形式 具有較高的強度和質量比。 b 型夾層結構 b 型夾層結構與a 型夾層結構相反，表面層采用介電常數(shù)低的介質材料，而 中間芯層采用較致密的高介電常數(shù)材料，為保證匹配，中間層介電常數(shù)為外層介 電常數(shù)的均方值。 c 型夾層結構 c 型夾層結構由兩個a 型夾層結構組成，加在一起共五層，結構強度有所改 善，且有較好的寬頻帶特性。 含金屬物的介質層結構 含金屬物的介質層結構的介質中的金屬物呈球粒狀或薄帶狀對稱分布，調節(jié) 金屬物的形狀及分布可以有效地改善介質層導納特性。 金屬骨架結構 金屬骨架結構采用增強塑料板或布以各種結構形式覆蓋在梁架上，用結構梁 架承載負荷。地面天線罩多采用此種結構形式，多呈球形或半球形。 除以上各種不同結構形式外，還有雙層和多層結構，多層結構可以按照a 、b 、 c 型夾層結構形式任意組合，有時可達十余層【1 3 】。 2 2 2 按結構特點分類 大型天線罩從結構特點上分為空間桁架式天線罩和薄殼式天線罩。 a ) 空間桁架式天線罩采用自行式支撐結構設計，適用于大型的天線罩結構。根 據雷達通訊設備的用途和工作環(huán)境，大型桁架天線罩從材質上主要分為金屬桁架 天線罩和介質桁架天線罩，工作波長高于l 波段的常用金屬桁架天線罩，低于l 波段的常用介質桁架天線罩。 金屬桁架天線罩【1 4 】的金屬肋比塑料肋的彈性模數(shù)大得多。建造一個金屬空 間桁架，其金屬肋的橫斷面比塑料梁桿( 肋) 小得多，卻可以承受同樣的結構負荷， 而且在高頻運用條件下，其傳輸損耗比介質肋來得小。圖2 2 所示為一典型的金屬 第二章天線罩的結構形式研究 7 桁架天線罩。 金屬空間桁架天線罩是一種高通濾波器，其用途廣泛，尺寸可大可小，能夠 承受較大的風載，且寬帶性能好，性價比高。一般來說，它是由許多平面基本三 角形單元組合而成，而三角形單元主要由金屬桁架、中樞以及薄膜組成，如圖2 3 所示【1 5 1 。 - e 二i 中樞 圖2 2 典型的金屬桁架天線罩 圖2 3 金屬空間桁架天線罩三角形單元示意圖 介質空間桁架天線罩，通常是由許多自成平面( 或球面的一部分) 的介質層板 構成的，其結構載荷由平板的翼緣( 凸緣) 承擔。大型介質桁架天線罩的框架法 蘭材料和面板薄膜材料都采用玻璃鋼制成的整體天線罩板塊，球面結構形式多采 用多邊形隨機分割。面板由曲面肋板塊、圓頂型肋板塊、加強肋和基礎底座組成。 曲面肋板塊四周有邊加強肋，加強肋上有孔，孔與孔相對應。曲面肋板之間通過 加強肋用螺栓將其連接成環(huán)型殼體，圓頂型肋板塊通過環(huán)型加強肋用螺栓與曲面 肋板塊構成的環(huán)型殼體連接成為球殼體；并形成一個骨架整體結構。曲面肋板塊 之間的連接縫隙、圓頂型肋板塊與環(huán)型殼體之間的連接縫隙填以彈性防水膩子， 上面有可伸縮的軟蓋條，形成光滑的球殼體。球殼體的底部為基礎底座，基礎底 座用鋼筋混凝土制成并預埋螺栓。預埋螺栓的位置與球殼體底部曲面肋板塊四周 邊肋上的孑l 相對，通過螺栓將球殼體固定于基礎底座上【l6 1 。如圖2 4 為一種介質桁 架罩。 釜 大型天線罩的結構分析 圖2 4 介質桁架大線罩 b ) 薄殼式天線罩又分為剛性殼體天線罩和充氣式天線罩，純剛性殼體天線罩主 要用于小型天線罩，而充氣式天線罩的尺寸相對較大。 在殼體結構天線罩中，嵌板通常是彎曲的，其結構負載靠殼體作用來承擔。 這類天線罩沒有加強肋，如玻璃鋼泡沫型天線罩等。 玻璃鋼泡沫型天線罩，球面結構形式多采用多邊形半隨機分割，面板截面常采 用a 型或c 型夾層結構形式。a 型夾層面板由兩個等厚對稱的高強度高密度的表 皮和一個低密度的芯子組成。它的優(yōu)點是強度重量比和剛度重量比大，適用于一 定波長的大型地面天線罩。但缺點是工作頻帶窄，制造復雜、成本高。當a 型夾 層不能滿足要求時，可采用由奇數(shù)層組成的多層夾層結構。另外夾層天線罩的設 計主要與天線的最高工作頻率和風速的大小有關，隨著夾芯層厚度的增加，臨界 扭曲破壞風速和安全系數(shù)裕度也相應增加。但天線的最大工作頻率則相反，隨著 芯層厚度的增加而降低。因此當給定天線罩的臨界扭曲安全系數(shù)，隨著天線工作 頻率的增加天線罩承載的額定風速將減小。與單層介質板相比，a 型夾層天線罩 具有透波性好、頻帶寬等優(yōu)點，因此廣泛應用于高質量地面雷達天線罩的制造中。 圖2 5 所示為某a 型夾層泡沫天線罩。 爹爹。謄鬻鬟簽篆| | 爹 ? i j _ “焉鼎鰳慧瓤_ 二 鬻謄。- _ 曩i 鎏鬻黲黲鬻? 鬃_ 一| “：薯 ； 圖2 5 a 型夾層泡沫天線罩 第二章天線罩的結構形式研究 西 充氣式天線罩采用膜材料整體焊接而成，球形薄膜在截口四周用壓板固定 于氣密性的平臺上。周圍或用繩索拉緊，或用其他方法固定，內部充氣。它的優(yōu) 點是罩壁簿且均勻，電氣性能好，適于寬頻帶工作；罩體柔軟便于折疊，重量輕、 體積小，運輸、儲藏、安裝方便。缺點是需要持續(xù)向罩內充氣，以維持罩子形狀 和必要的剛性。若充氣設備發(fā)生故障，會使罩子倒塌而損壞天線。如圖2 6 所示的 充氣天線罩，罩體采用高性能復合材料膜制造。 圖2 6 充氣式天線罩 2 3 天線罩厚度的確定原則 對于天線罩的設計來說，首先要做的是根據特定的要求確定基本的結構形式。 如天線罩的形狀、結構尺寸、板塊劃分方式、板塊的斷面結構等【1 刀。這些結構參 數(shù)的確定同時受到電氣性能和結構性能的約束。下面根據電氣性能的要求來確定 天線罩厚度的初始值。 ( 1 ) 蒙皮厚度設計 在夾層結構中，板材的最大功率透過系數(shù)由下式決定： 一2 = ( 1 一旦西) 0 - b , 曲) ( 2 - 1 ) 其中： 眥夾心結構的最大功率透過系數(shù)； a - 曲一一次傳輸衰減因子，與電波極化方向無關； e 西= 皿+ 2 忍； 墾曲一多次反射引起的衰減因子，與電波極化方向有關。 忍2 7 如r d b 【毛一z s b 浮t 9 8 s 釅 2 - 2 ) l 毛一s m j 展等南 陋3 ， 1 0 大型天線罩的結構分析 恥等蒿+ 等南 c 2 棚 恥生型進業(yè)案卷簧筍幽嘩 ( 2 5 ) 其中：幺、乞一分別為蒙皮和夾心材料的介電常數(shù)； 留唾、堿一分別為蒙皮和夾心材料的介質損耗角正切； 反、以一分別為蒙皮和夾心材料的厚度。 由上式可知，夾層結構的傳輸系數(shù)與吒、以、留皖、轡皖成比例關系，也就 是吃、也，由結構強度和最佳透過條件共同決定。因此降低一次傳輸損耗的最有 效辦法就是選擇低損耗材料，對多次傳輸損耗也是如此。在低損耗材料的條件下， 特別是垂直極化波的多次反射引起的衰減不可忽略時，蒙皮愈厚、衰減愈大【婚】。 單層罩又分為薄壁罩和半波長壁罩，薄壁和半波長壁的反射系數(shù)都趨近于零。 薄壁是指壁的電氣厚度小于五2 0 。 即有如下等式關系： 瓜2 去( 2 - 6 ) 由于光速公式：c = 五d 如天線設計頻段為6 嘰8 5 g h z ，中間頻點為7 2 5 g h z o 經過計算獲得夾心結 構的蒙皮厚度值為1 0 3 5 m m ，從成形工藝考慮取整為1 0 0 0 m m 。 ( 2 ) 夾芯厚度設計 當如+ 方寸。= 靦時，對稱卜夾層平板有最大的功率透過系數(shù)，此時： 老2 赫 億7 ， 九2 萬( 乞一咖2 島) n 5 、7 f 么。一士1 w i n 2 # t , 方。= 口心l 玉叢1 一 ( 2 8 ) ( 1 + r 2 a b o ) 一，五o ( o + 二) c o s 2 九 由上式可知，“。與夾芯厚度吐五無關，但因為o 、么。與極化有關，所以 對于不同的極化，在同一入射角下，彬。的值不一樣。固由此而決定的也氣也不 一樣。在同樣截面結構的情況下，對稱a 型夾層平板的水平極化的透過系數(shù)略大 于垂直極化的透過系數(shù)。所以在一般情況下，可以由垂直極化的情況來決定平板 的最佳夾芯厚度。對于垂直極化波，辦。隨入射角a o 的變化不明顯，即辦。是o o 的 緩變函數(shù)。所以，吐九隨入射角o o 的變化主要決定于( 乞一s i n 2o o ) n 5 。 第二章天線罩的結構形式研究 對于球形罩和柱形罩，電波對罩壁的入射角都較小，最大入射角約在5 0 。以內。 所以，最佳入射角可選在2 0 。 4 0 。之間。將相關數(shù)據代入計算得到吐凡= n 1 8 ， 從而可得出相應厚度的芯層【1 9 1 。 2 4 天線罩的板塊劃分方法及制造安裝方式 地面天線罩大都架設在山頂高崗上，上山的道路一般也都是崎嶇狹窄的土石 路。并且由于地面天線罩本身的體積比較大，因此盡管整體成型的天線罩能使電 氣性能均勻一致，達到較高的水平，但考慮到運輸?shù)纫蛩?，天線罩大多都要進行 板塊劃分，但板塊劃分又給制造安裝帶來了問題。一般來說，劃分板塊的規(guī)格越 少，制造模具的規(guī)格種類就會越少，制造成本就會越小，安裝也越容易。 2 4 1 天線罩板塊劃分方法 大型天線罩的板塊劃分無論采用何種形式的劃分方法，都是以空間正多面體 即正十二面體、正二十面體為基礎，并在此基礎上進行規(guī)則的或隨機的劃分【2 0 1 。 這樣可以使空間板塊的形狀種類相對減少，減少制造成本，同時滿足電性能要求。 1 、經線劃分法 對球形充氣天線罩和較小型的球型玻璃凸緣天線罩，常用經線劃分的方法【1 1 。 具體做法：將基圓分作若干等份，過各分點的經線，把罩體等分為若干塊瓜 瓣狀單元件，如圖2 7 ( a ) 所示。為了避免頂點處密集的接縫，再加一塊圓形頂蓋單 元件。如果忽略該圓形單元件，那么它就是迄今為止唯一的單種規(guī)格的單元件的 分塊形式，也可稱為西瓜皮瓣分塊法。對大型天線罩來說，采用此分塊法會給制 造和運輸帶來麻煩，同時由于從上到下的同一經度的經線接縫會引起較大的擴散 副瓣，與極低副瓣的天線是不匹配的。 1 2 大型天線罩的結構分析 ( a ) 經線分塊法 廠 、 - 、 ， ，| | 、 ； ； l | | ff1 。i ；| | | il|if 7 ( b ) 經緯線分塊法 圖2 7 天線罩的劃分方法 2 、經緯線劃分法 經緯線劃分法【2 j 的優(yōu)勢是板塊尺寸調節(jié)余度較大，可按要求隨意調整。設計時 盡可能將板塊調節(jié)成細長結構，使寬度小于3 5 m ，長度盡可能長，以減少連接縫。 具體做法：它在經線分塊的基礎上為了方便大型天線罩的制造、運輸和安裝， 再添加緯線，使板塊尺寸減小。如圖2 7 ( b ) 所示。 3 、在球面正多面體基礎上的經緯線劃分法 此法屬于從球面正多面形出發(fā)的分塊方法。長期以來，人們試圖找到一種大 型球面天線罩的分塊方法，希望這種分塊方法得到只有一種規(guī)格的單元件，于是 想到了按正多面形( 如果一個凸多面體的表面都是全等的正多邊形，并且所有的多 面角全部相等，這樣的凸多面體表面就稱正多面形) 分塊。在天線罩設計中一般采 用正十二面體。如圖2 8 所示為球面正十二面體。 前面已經提到的經向分塊，雖然滿足單元件為一種的要求，但就大型天線罩 而言，從工藝、制造、運輸、安裝尤其電性能看，是不可取的。因此現(xiàn)階段較為 理想的分塊方法是：先將球面分為正多面形，然后從正多面形出發(fā)，作進一步劃 分。這種分塊形式既基本保證了單元之間的接縫在各個方向上均勻分布，使其對 電氣性能，特別是對副瓣和瞄準誤差的影響減少，而且只要在正多面形的進一步 劃分中選擇適當?shù)奶幚?，就可使單元類型減至最少。 第二二章天線罩的結構形式研究1 3 。潛i - ，j 圖2 8 球面正十二面體圖2 9 球面等腰三角形的不規(guī)則分塊 ( 1 ) 規(guī)則劃分法 當天線罩直徑比較小時，例如凡= 8 o m 。先將球面分成十二個全等的球面正五 邊形，再將每個正五邊形分成具有公共頂點五個相等的球面等腰三角形。即把整 個球面分割成6 0 個全等的球面等腰三角形。這種劃分僅有一種規(guī)格的單元件( 基 礎部分除外) 。 ( 2 ) 不規(guī)則劃分法 對于更大型的天線罩來說，像上面所述那樣劃分6 0 個球面等腰三角形是不行 的，因為每一塊的面積太大。為了便了實現(xiàn)，可在上述規(guī)則分塊法的基礎上再將 每一個球面等腰三角形進行分塊。如圖2 9 所示對球面等腰三角形進行再劃分。 首先，將球面等腰三角形底邊上的高1 4 等分( 即把某一球面等腰三角形的高放 在赤道線上，將高分成1 4 等份) 。然后過各分點，在球面上分別作垂直于此高且具 有同一個南北極的一族子午圓( 經線) ；同時讓其與球面等腰三角形的兩個腰分別相 交( 注意該交點并不等分腰) ；過這些交點再作與此高所在的赤道圓周具有同心軸的 一族平行圓環(huán)( 緯線) ；這些圓環(huán)與底邊及前面過各等分點所作的一族子午圓( 經線) 相交( 但它們并不等分這些線) 。最后適當連接有關各點，即構成所要求的六邊形及 五邊形。由圖2 9 可以看出，這種分塊方法共有十種基本單元件，便于批量化生產。 4 、在球面正二十面體基礎上的有規(guī)則劃分法 首先將球面分成2 0 個等邊的球面三角，如下圖2 1 0 示。 圖2 1 0 二十個球面等邊三角形圖2 1 l 正二十面體的規(guī)則分塊法 1 4 大型天線罩的結構分析 然后將每個球面等邊三角形的每一邊分成若干等份，例如6 等份。如圖2 1 1 所示。這樣又將球面等邊三角形再分成有七種規(guī)格的3 6 個球面三角形。第一種規(guī) 格為3 塊；第二種為6 塊；第三種為3 塊；第四、五、六、七種均為6 塊。 這種分塊方法的規(guī)律性較強，肋的取向基本上在三個方向構成有規(guī)律的排列， 但是這種分塊形式會形成大的擴散副瓣。對球面等邊三角形的每邊的等分數(shù)不同， 可得到不同規(guī)格的單元件。圖2 1 2 所示的天線罩就是基于對球面三角形的每邊進 行不同的等分而設計制造的。 圖2 1 2 球面三角形分割所得到的天線罩 5 、在球面正二十面體基礎上的無規(guī)則劃分法 同前，先將球面分成2 0 個等邊球面三角形。將其中心投影構成正2 0 面體( 圖 2 1 3 ) ；然后再從每個球面正三角形的三邊分別作高( 也是中線) ，從而將每個球面正 三角形分成三個相同的不等邊球面四角形，如圖2 1 4 所示。每個球面四角形又分 成兩個三角形，其中一個是另一個的鏡像。將這種劃分得到的球面三角形稱為“陰 影線三角形，全球共分為1 2 0 個陰影線三角形。 圖2 1 3 正二十面體圖2 1 4 二十面體的陰影線三角形 根據球半徑的大小，又可以將一個球面四邊形再進行劃分，可以分劃為1 4 、 第二章天線罩的結構形式研究 1 5 1 7 、1 8 或2 8 ；個不等的球面三角形。下圖2 1 5 是將球面四邊形a d f g 進行1 4 1 3 劃 分。 圖2 1 5 球面四邊形1 4 ；劃分 電性能要求地面天線罩的板塊具有一定的不規(guī)則性( 即連接縫盡量避免平行 邊) ，板塊之間接縫要少( 即板塊尺寸規(guī)格盡可能少) ，以減少連接螺栓對電性能的 不利影響。因此，三角形板塊已不能滿足電性能較高的天線罩的性能要求，必須 對板塊進行隨機化處理。下表為不同劃分形式的板塊面積及種類。 表2 1 不同劃分形式的板塊面積及種類 劃分形式整球板塊數(shù)量平均面積規(guī)格種類邊界板塊種類 1 2 面體1 24 m 2 1 211 2 0 面體 2 04 n r 2 2 0l1 3 2 面體 3 2鋤口2 3 222 6 0 面體6 0 4 m 2 6 023 2 0 面體邊長2 等分 8 04 m 2 8 044 9 2 面體9 24 n r 2 9 233 2 0 面體邊長2 等分 1 8 04 r t r 2 1 8 096 隨機劃分2 。 1 8 04 z ：r 2 18 034 2 1 2 面體2 1 24 m 2 2 1 245 6 0 面體邊長2 等分 2 4 0 4 n r 2 2 4 045 隨機劃分1 。3 6 2 4 m 2 3 6 287 2 1 2 面體加密 3 9 24 n r 2 3 9 266 6 0 面體邊長3 等分 5 4 04 m 2 5 4 099 將“足球 形板塊按圖2 1 6 ( a ) 所示圖形進行劃分，其中a p = b q ，b e - - c f ， 中間為球面正五邊形和j 下六邊形。按圖2 1 6 ( b ) 、( c ) 所示圖形進行連接即可。根據 念 1 6 大型天線罩的結構分析 罩體直徑調整中間小六邊形的邊長，可得到各種不同板塊尺寸。整罩共7 x 2 0 + 6 x 1 2 = 2 1 2 塊板塊，尺寸規(guī)格為4 種。 ，一一、 廠分掣? ； ； 、o 一一7 。 。 一一 ( a ) 廠、麓 歹，嫁二 小i 。，? 、義，一，j t l f to b f 、，| j 、! 是? 弋 c o )( c ) 圖2 1 6 無規(guī)則劃分法 2 1 2 面體的天線罩尺寸規(guī)格少，易于批量化生產，在實際中應用比較廣泛。圖 2 1 8 為某2 1 2 面體天線罩。 盛趟鏈盔 紫。么鎏剪曛 圖2 1 7 二百。一十二面體球罩分布圖2 1 8 某二百一十二面體天線罩 6 、多邊形隨機劃分法 多邊形隨機劃分是在多邊形準隨機劃分的基礎上，對單元基本劃分的隨機調 整，而得到的一種劃分方法【。例如，某直徑為9 1 4 4 m 的a 型夾層泡沫天線罩的 板塊劃分方法即為多邊形板塊的隨機劃分。在截高為7 9 0 4 m 時，天線罩共分為4 9 塊，有四邊形5 塊，六邊形4 4 塊，其中六邊形又分為8 種，分塊后的天線罩如圖 2 1 9 所示。經檢驗，此種分塊方式可以較好的滿足天線罩的電性能的要求，并具 有一定的強度和剛度，抗風能力達到5 7 m s 以上。 第二章天線罩的結構形式研究1 7 圖2 1 9 天線罩的隨機劃分 2 4 2 天線罩的工藝制造及安裝方式 無論金屬桁架結構天線罩還是介質天線罩，透波介質材料的性能和工藝在天 線罩工程中起著關鍵的作用。 工藝方法一般以手糊成型工藝為主【2 l 】。根據天線罩板塊的結構特點和電氣性 能的要求，對于介質板型玻璃鋼天線罩常采用濕法手糊工藝；而夾層結構玻璃鋼 天線罩常采用濕法、半濕法手糊工藝，并結合真空袋壓或加壓袋壓技術，以保證 夾層結構的蒙皮和芯材問的緊密結合。 手糊成型工藝一般采用不飽和聚酪樹脂和環(huán)氧樹脂作為基體【捌，增強材料常 用玻璃纖維布。成型過程依次為：向模具上涂脫模劑，噴涂膠衣，鋪放增強材料 并浸漬樹脂，然后用刮板和輥子使纖維浸透，并驅除氣泡。 真空按壓或加壓袋壓技術，是將氣體的壓力傳遞到未固化的玻璃鋼制品表面， 達到趕除空氣、層合致密的一種方法，且設備費用較低，適用于雙曲面的玻璃鋼 大型天線罩的成型。 天線罩的安裝質量是保證天線罩功能發(fā)揮的最后一道關口，是保證天線罩性 能穩(wěn)定可靠的重要方面。一方面由于天線罩多數(shù)安裝在高山沿海一帶，氣候條件 十分惡劣。在這種情況下，保證罩子的安裝質量就成為很困難的問題；另一方面 隨著天線技術的發(fā)展對天線罩的性能要求也不斷提高，天線罩結構和單元板塊的 分割也發(fā)生了很大的變化，使得天線罩的安裝難度不斷增加。所以應有一支精干 的安裝隊伍，具有良好的技術和組織能力及安裝經驗，確保安裝工作在短時間內 完成。 除航海雷達、氣象雷達安裝的地方有時有使用吊車條件外，一般情況，天線 罩的安裝都在無吊車的情況下進行。滿堂紅架是安裝天線罩，持別是安裝直徑2 0 m 以上隨機分割的天線罩，常常采用的方法。 一般常規(guī)罩在罩內側架設滿堂紅腳手架，就可完成天線罩的安裝。對于高性 1 8 大型天線罩的結構分析 能天線罩，螺絲安裝都是從罩外向內安裝，因此還應在罩外再架設一個簡易的可 移動的腳手架。天線罩安裝腳手架強度值高于一般的建筑用腳手架，以便于單元 板塊吊裝。 板塊組裝要按照預先設計好的板塊順序進行。安裝第一層時先選擇背風和非 電磁窗工作位置；安裝含有門的板塊，然后按畫好的基準線將第一層板塊拼好， 并用螺栓連接。為防止板塊外傾，須用繩索將板塊與架桿固定。其他層的安裝與 第一層的安裝方法相同。在安裝時要求一天內完成一層，并將鑲嵌件如梯架、照 明線等同時安上。放置平臺以方便施工，內側布置之字形梯子。大型的天線罩其 頂部罩體的安裝尤為困難，一般采用地面組裝，整體吊裝的方法進行【2 3 1 。 2 5 天線罩的輔助結構 為保證大型天線罩的正常使用，根據天線罩的結構形式配備相應的輔助設施。 如基礎結構、出入門、照明、避雷、預警、通風等輔助結構。輔助結構是天線罩 不可分割的組成部分，對天線罩的安裝、安全、維修、保障天線罩使用壽命都有 重要的作用。 圖2 2 0 某介質天線罩與基礎連接結構形式 1 邊界罩2 連接螺栓3 預埋環(huán)4 基礎墩5 預埋地錨 天線罩與基礎的連接是天線罩穩(wěn)定的基礎。工程經驗表明，天線罩的破壞經 常從罩體的根部開始?；A的結構形式至關重要。介質天線罩底部常制作成內突 形，用螺釘連接在鋼筋混凝土結構上的鋼制環(huán)形梁上，接縫處涂密封硅膠。 第二章天線罩的結構形式研究 1 9 圖2 2 l 天線罩避雷、預警、通風結構 1 避雷針2 預警燈3 通氣罩4 防護網5 內防護罩 大部分的天線罩避雷、預警、通風裝置都安裝在天線罩頂部。如圖2 2 l 為某 種介質天線罩避雷、預警、通風結構。從經濟性上考慮，大型介質天線罩常采用 頂部被動通風設計。利用基礎底部通風口與頂部通風，直接在鋼筋混凝土基礎的 圍墻上預留若干通風窗，并設置開關裝置。通風孔與通風窗加裝金屬防鼠網。在 天線主要工作方位的相反方向安裝天線避雷銅帶。平臺基礎上預留避雷地網接頭， 天線、天線罩和地基避雷網相連。避雷針安裝在頂部通風罩上。同時內部保護罩 可以防水和風沙。大型天線罩的預警燈在不影響電性能的情況下，可在罩體頂部 或側面四周均勻安裝4 - - 8 個，對罩體進行整體預警【1 6 】。 圖2 2 2 天線罩的維修爬梯 為了確保雷達天線罩的正常使用，必須對局部破壞或脫落的罩體、腐蝕的連 接螺栓、板塊聯(lián)接密封脫落等情況進行維修。結構上設計內部和外部維修軟梯( 如 圖2 2 2 所示) ，外部軟梯可沿罩體3 6 0 度轉動，保證罩體外部任意位置的維修。罩 3 4 一 大型天線罩的結構分析 體內部維修有時可借助天線輻射梁架設維修爬梯，維修爬梯隨天線方位俯仰轉動， 保證覆蓋整個罩體內部2 1 。 2 6 本章小結 首先本章對國內外各種球形天線罩進行分類、比較分析，給出了地面各種大 型球形天線罩的結構特點：金屬骨架適于高頻和寬頻帶工作，制造容易，價格較 廉；夾層天線罩的強度重量比和剛度重量比大，抗風能力強，使用周期長；而充 氣天線罩，其罩壁薄且均勻，電氣性能好，適于寬頻帶工作。 接著又介紹了多種球面天線罩的板塊劃分方法，并對每種方法進行了詳細說 明。通過對比這些劃分方法的異同，對大型天線罩的結構和建模有了定性的認識， 同時為天線罩結構設計和力學分析奠定充分的數(shù)據基礎。 最后介紹了大型天線罩的制造安裝方法。可靠、安全、經濟的天線罩施工方 法，在大型天線罩安裝施工中有著重要的意義，為具體工程的實現(xiàn)奠定了基礎。 第三章風載荷的離散及隨機風的數(shù)值模擬 2 l 第三章風載荷的離散及隨機風的數(shù)值模擬 3 1 引言 風載荷是天線罩的主要載荷之一，尤其是處在沿海和野外山頭上的天線罩， 風載荷將成為其最主要的載荷。一般來講，風載荷由兩部分組成：一是平均風( 穩(wěn) 態(tài)風) ；一是脈動風( 瞬念風) 。根據天線罩結構的特點，結合有關資剃2 4 】【2 5