星载轻型平板SAR天线热控设计与验证

AS-01卫星搭载的平板SAR天线总的热耗密度可达720 W/m^(2),且天线工作期间,要求有源设备温度处于-20~50℃范围,全阵面温差不超过12℃。针对此要求提出一种以导热均温为主的轻量化热控方案:基于准被动热控设计的原则,选择吸收−发射比η=1.4的阵面热控涂层及多层隔热等措施实现所需目标温度范围;采用导热垫和相变热管双侧导热安装等方式强化天线整体均温导热;针对极端低温工况增加主动热控辅助设计。对SAR天线热控进行仿真分析和全尺寸的热平衡试验,地面验证了各项热控措施的有效性和正确性;最终的在轨飞行表明,天线在轨平均温度10℃左右,T/R模块全阵面温差不超过8.9℃,天线热控在轨工作稳定。

结构优化在空间可展开天线中的应用及展望

空间可展开天线是航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术、面向增材制造的拓扑优化与点阵填充等先进轻量化设计技术的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,着重介绍近年来结构优化技术在空间可展开天线零部件结构优化和馈源阵支撑结构概念设计中的典型应用案例;最后,考虑未来空间超大口径及高精度可展开天线的设计需求,对先进轻量化设计技术的应用前景进行展望。结构优化技术与设计经验相结合,正在推动设计理念的创新,将成为先进航天器设计的核心工具和必备的标准流程。

基于多功能结构的相控阵天线一体化设计

为了满足星载有源相控阵天线对轻量化以及承载、热控等多功能一体化的迫切需求,文中开展了轻质多功能结构相控阵天线的设计理论、制备工艺、控温特性和力学性能等研究,提出了一种基于多功能结构的星载有源相控阵天线一体化设计技术,利用轻质多功能复合安装板结构,合并平面正交一体桁架热管,在内部空间嵌埋有源功能模块,融合低剖面辐射阵面形成天线功能,制备了集控温、承载、电磁辐射于一体的多功能结构的轻质相控阵天线,并对多功能结构天线子阵进行了一体化设计和验证。结果表明,多功能结构天线系统布局改善了微波部件互联的性能,提高了有源阵列的散热和辐射效率以及系统性能,显著减小了天线阵列的剖面,大幅降低了有源阵列天线的重量。

某车载大型相控阵天线支架多工况拓扑优化设计

为满足某车载大型相控阵天线支架在风载荷、振动和冲击试验刚度要求基础上实现支架的轻量化设计,基于变密度法以4种载荷工况下的支架重量为目标,以装配关系为约束条件对支架进行拓扑优化研究。根据相控阵天线支架的装机空间和可装配性设计支架初始三维模型,结合工程可行性分析和多工况拓扑优化形成天线支架结构设计方法,并对优化后的天线支架进行风载荷、振动和冲击强度校核。结果表明,采用该方法优化后的支架结构在满足力学环境使用条件下,重量仅为初始设计的58%,满足设计要求,该方法工程应用前景广阔。

超宽带矩形微同轴平面对数周期天线

在宽带电子系统轻量化的需求下,基于MEMS矩形微同轴技术设计了10 GHz~50 GHz的超宽带平面对数周期天线。天线采用三节矩形微同轴阻抗变换实现160Ω到50Ω的宽频带阻抗匹配,并通过矩形微同轴转共面波导进行馈电。为展现微同轴的馈电优势,验证设计的微同轴平面对数周期天线性能,制备了50Ω矩形微同轴传输线和天线实物并进行了测试。实测结果表明,在10 GHz~50 GHz频段内,矩形微同轴传输线传输损耗<0.22 dB/cm,两根间隔0.15 mm的矩形微同轴传输线间隔离度>60 dB。天线实测反射系数<-8 dB,增益>4 dBi,增益波动<1.6 dB。

星载SAR功能结构一体化天线技术研究

提出了新型低剖面合成口径雷达(SAR)有源相控阵天线设计方法——多功能结构一体化天线技术,采用高密度互联、新型功能材料等进行模块化、轻量化的系统级集成设计,将系统功能与天线结构相结合,大幅减小了SAR天线的体积,增大了内部可用空间;同时,有效去除天线寄生质量及各分系统间的重复质量。对SAR天线进行了一体化设计验证,结果表明天线性能、结构承载及热控的指标满足要求,多功能结构一体化设计方法对大型有源相控阵天线系统的结构设计有实际指导意义。

单兵背负雷达轻质天线结构设计

某单兵背负雷达对天线质量、尺寸、精度和刚强度有较高的要求,本文在力学分析的基础上,利用碳纤维复合材料轻质的特点,对天线进行合理分块设计,解决质量、尺寸、刚度匹配的技术难题,设计出满足要求的轻质天线,天线正常工况下最大变形为0.25 mm,复合材料最大层间剪切应力为6.8MPa。

一种轻量化天线单元结构设计

针对某机载雷达天线单元轻量化设计需求,提出基于"蒙皮+泡沫支撑+微带天线"的3层复合结构形式。该结构型式可以很好兼顾性能、重量、刚强度、环境适应性、可制造性等需求。根据仿真分析结果,对天线单元安装支架进行优化设计。通过环境试验与电性能测试,验证了天线单元设计的可行性与可靠性。

机载无源相控阵天线结构轻量化设计

机载雷达天线发展迅速,已从传统机械扫描天线发展为相控阵天线以及更为先进的机相扫天线。随着雷达技术的发展及电子设备集成度的提高,天线已经成为雷达系统中组成最为复杂、重量占比最大的单元,因此天线的轻量化设计是雷达结构设计的关键技术。某机载无源相控阵雷达天线组成复杂,结构紧凑,单元间距小,重量指标要求严格,结构设计难度大。文中介绍了该天线结构设计中采取的轻量化措施,包括结构布局、模块化设计、复合材料的应用等,并通过力学仿真及环境试验,对天线轻量化设计的结果进行了验证。结果表明,天线结构设计满足产品力学环境要求,设计合理,对相关产品的结构设计有一定的参考意义。

一种轻质天线面板的设计

给出了一种轻质天线面板的设计。这种天线面板可以用于需要大孔径天线同时平台的载荷能力又非常有限的系统。应用这种天线面板可构建质量面密度为2-3 kg/m^2有源相控阵天线。为了实现天线面板的轻质化,采取了几项相关措施。测试结果表明这种天线面板的质量面密度及其主要的电性能指标都满足了初始的设计要求。

美国地下领域无人系统发展现状及启示

随着科学技术的高速发展,地下领域(如天然洞穴网络、人造隧道和城市地下环境等)逐渐成为人类研究的热点,利用无人系统在地下等复杂场景执行探索、搜索与搜救等任务仍面临着许多挑战。深入分析了美国地下领域无人系统技术发展的模式框架,梳理了快速轻量自主、机械天线和地下挑战赛等DARPA典型研发项目的研究目标与现状,提炼出地下领域无人系统需要解决的关键技术,在此基础上归纳总结了美国地下领域无人系统的发展趋势。最后,结合国内发展情况提出了地下领域无人系统的发展启示。

舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计

根据舰船平台的特点和要求以及雷达技术多功能、一体化、高集成度的发展趋势,从天线外流场结构优化设计、结构优化减重设计、轻型材料及其工艺技术研究等方面,对天线转台系统适装性结构优化设计技术进行了分析和探讨,并结合某项目天线转台系统进行了适装性结构优化设计工作。该优化设计方法也可以应用在其他装备产品的适装性结构优化设计中,尤其是舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计工作中。

雷达天线抗冲击仿真分析与轻量化设计

针对某雷达系统天线轻量化设计要求,进行了恶劣环境下的抗冲击仿真分析和结构轻量化设计。利用动力学分析方法,在有限元软件中建立了天线的仿真模型,将加速度冲击谱时域曲线直接作用于天线的安装件。计算得到天线在该冲击谱作用下的冲击响应,仿真结果显示可减小天线结构件的厚度尺寸,并对应力较小的部位进行减重设计。对尺寸和结构优化后的天线再次进行仿真分析。结果表明:优化后的天线质量减轻的30%,同时结构刚强度满足工作环境抗冲击要求。

天线反射器复合材料轻量化研究

采用树脂基复合材料代替铝合金材料研制反射器满足天线反射器减重要求,并建立反射器3D模型,通过有限元软件分别对铝合金以及复合材料反射器的模态进行分析。结果表明:在保持相同体积的条件下,复合材料反射器基频比铝合金反射器高出35.23%,减轻41.2%;为了保证星载反射器在服役环境中的精度,对两种材料反射器在-180^+80℃的热变形进行仿真。结果显示:采用[0/45/-45/90]2S铺层设计的反射器热变形量比铝合金反射器低94.25%;采用模压工艺研制的复合材料反射器型面精度为0.027 mm,满足使用要求,并且在服役环境下,复合材料型面精度稳定性优于铝合金反射器。

某天线骨架的减重优化设计及动力学数值模拟

针对某天线骨架减重优化的设计要求,进行了极端环境下的结构减重优化设计及数值模拟分析。在workbench软件中建立骨架的三维有限元模型。在模态分析的基础上,依据军用设备环境试验的标准,用时域瞬态分析法对其进行了3方向的冲击分析,算例数值模拟结果显示可以对相关结构件进行减重优化。优化后的骨架质量减轻了25%,对减重后的骨架再次进行数值模拟分析,结果表明应力变形响应均在材料的屈服强度和抗拉强度范围之内,满足抗冲击环境要求。

3D打印的小型化超宽带盘锥天线

在传统双锥天线的结构上,将双锥天线的上圆锥用圆盘替代,形成由一盘一锥构成的倒置盘锥结构的小型化超宽带盘锥天线。该天线满足新型天线的超宽工作频带、小型化、水平全向辐射的性能需求。该天线在实现超宽带性能的同时,也实现了天线的小型化和轻量化。利用电磁仿真软件CST STUDIO SUITE 2017对天线结构设计和参数优化后,采用3D打印技术加工制作了天线样品,其直径仅为74 mm(0. 17λ),高度仅为97. 37 mm(0. 23λ),其中λ为天线工作频段低端对应波长。仿真和测试结果表明,当S11(Return Loss)≤-10 d B时,天线的工作频段为0. 7~17. 1 GHz,相对带宽为184. 3%,其水平全向辐射性能良好,最大增益为6. 63 d Bi,且该天线结构简单,易于加工,具有一定的工程应用价值。

一种大型阵列天线转台的结构设计

本文针对某工程实际中典型的5.4m天线,结合其应用场景和功能需求进行了详细的结构方案设计,以满足天线系统结构轻量化、一体化、低成本、高性能的要求。根据天线的实际需求,对天线结构进行了系统性设计、利用MSC有限元软件建立天线结构的有限元模型,模拟实际应用工况,对结构进行了静力学分析。结果表明,结构设计方案合理可行,满足结构的各项指标要求。通过电气性能测试,满足使用需求,证明该设计是成功可行的。

轻量化低功耗机载天线的研究与设计

机载卫星通信天线是无人机测控链路的重要组成部分,需要满足重量轻、功耗低的要求,而太阳能无人机则对重量和功耗有着更为苛刻的要求。本文提出的系统方案,将机载天线的组成按舱内设备和舱外设备进行划分,并进行合理的分离与集成。方案采用全复合材料结构、结构对称设计和优化驱动链设计等方法,实现了机载天线重量和功耗进一步降低。仿真和试验表明,该机载天线能够满足太阳能无人机平台轻量化和低功耗的要求。

一种机载宽频带轻量化双偶极子测量天线设计

在小型旋翼无人机平台的天线测量系统中,测量发射天线要具有双极化、宽频带及轻量化的特点。为实现宽频带与双极化的电性能需求,设计了一种带反射腔的双偶极子天线,2对偶极子十字交叉,采用同轴电缆馈电,共用一块反射底板;针对轻量化的要求,提出了"铜箔+PA6"及结构件薄化的新型天线反射腔结构。通过电磁软件CST建立模型,对偶极子天线进行了仿真。仿真表明,所设计天线在650~1 400 MHz的测试频带内,阻抗带宽为73.2%(电压驻波比小于2.5),2个激励端口的隔离度大于50 d B,增益大于7 d Bi,方向图对称性好,天线总质量低于0.6 kg,故天线的综合性能满足该机载测量系统的要求。

某型Ka波段调频连续波雷达结构设计

随着雷达技术的迅速发展,雷达应用领域越来越广泛,对雷达轻量化、易架设、高精度的要求也越来越高。文中介绍了某型Ka波段调频连续波雷达结构设计过程,具体阐述了铝合金型材天线骨架设计,卡赛格伦天线设计,天线罩设计等设计方法和设计思路,并通过仿真分析验证了天线骨架的力学性能和雷达设备散热性能。文中在雷达轻量化设计、高精度天线的设计、检测及天线罩疏水设计等方面做了一定的研究,其方法和思路可供同行参考。