考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析

第48卷第4期 20l2年2月 机械学报 JOURNALOFMECHANICALENGⅣEERnNG v01．48No．4 Feb． 2012 DoI：10．3901／JME．2012．04．136 考虑太阳照身寸的地基面天线机电耦合水 李 鹏1 段宝岩1 郑 飞1 周生怀2 (1．西安电子科技大学电子装备结构设计教育部莺点实验室西安710071； 2．中国电子科技集团公司第三十九研究所西安710065) 摘要：下一代深空探测的地基面天线的面精度要求达到哑毫米级，必须考虑太阳照射导致的温度的影响。针对这一问题，以 “嫦娥工程”的40m通信面天线为研究对象，根据天线的地理位置和时间日期，计算天线受到的热流密度；考虑对流、传导 和辐射三种传热方式计算天线的温度分布，并用某7．3m卡式天线设计温度试验，结果表明温度分析是有效的：将温度作为 载荷计算天线的结构变形；根据天线远区的电场公式计算电性能，并提取增益损失、副瓣电平和指向误差等主要电性能指标。 仿真结果表明，温度对电性能的影响不但体现在结构变形的均方根值上，更与变形的分布形式密切相关。分析的和结论 可用于指导下一代面天线结构设计，也可供同类型面天线设计时参考。 关键词：面天线太阳照射热流密度温度分布机电耦合 中图分类号：TN957 ElectromechanicalCouplingAnalysisofGroundRenectorAntennasin Clear-dayEnVironment LIPen91DUANBaoyanlZHENGFeilZHOUShenghuai2 (1．KeyLaborato哆ofElec仃onicEquipmentStmctureDesigllofMinisnyofEducation， XidianUniVersi吼Xi’aIl71007l； 2．No．39ResearchInstitute，ChinaElectronics1’echologyGroupCorporation，Xi’an710065) Abstract：operatioIlaldcsi印criteriaofthenextgenemtionrenector加协∞afordeepspaceexplorationisabout0．1mm，sotheen’cct ofth盯malg弧l咖ldefomlationon甜ltennaelec们ma孕屺ticperfbm啪cemustbercsearchedcaremlly．FoTthisengineering problem，tlle40mrenector衄te皿aof‘‘ch柚geProject”isconsideredasresearchobject．111eheatnuxduet0solaron蛐t锄ais calculatedb觞edongeo目印hicalpositioIl’date锄dtime．Theteml)er孤眦dist胁utionofallterulaisobtained，co舾ideringthreeheat 们Ilsferways：convection，conduction柚dradiation；andtemp咖expcrimentisdesi萨edViaa7．3mCassegmin姐te皿a．Results ofttleexp舐mentiIldicatemat：thetemperaturemodelisValid；themlal·stllJctureanalysisisproceedttlroughANSYS．Electrical p瑚etersofanteIlnaiscalculatedbyf打fieldpatt咖sfomaI，锄dthreemainelec仃icaIpropeniesparametcrsincludinggainloss， sidclobeleVel锄dpointinge玎DrarestIldiedmaillly．The锄alysisresultshowsthat，thee旋ctoftemperatureonelec仃oma印etic per】fbm啪cedoes∞tonlydependonRMSofsnllctIl】rcdefomlation，butalsod印endonmedistributionofdefbmation．Theamlysis method锄dresultscouldbeusedfofrefb-即ce∞nextg∞emtionre|1ector粕te肿adesi驴． Keyword暑：Renectorantenn弱Solarr砌ati∞H髓tnuxTemperaturedi蹦buti∞Elec廿omech雠icalcoupling O前言 深空探测用大口径面天线发展的特点是物理 口径和工作频段不断提高，用于“萤火工程”的下 ·国家自然科学基金(51035006)、国家闩然科学摹金青年基金(50905134) 和中央岛校基本科研业务费(Ⅳloo00904019)资助项目。20110319收到 初稿，20n0923收到修改稿 一代通信天线电口径(物理口径×工作频率)已达到 1 000(35m×30GHz)，其面精度要求大约是0．3 mm，这对天线结构设计是个巨大的挑战。有研究 表明，深空网天线阵使用的6m反射面天线【l】’使 用液压整体成形技术，加工精度较高，但在无风环 境中太阳照射的温度变形达到0．2mm，占总精度要 求的三分之一。而对中国500m口径的巨型射电望 远镜的F1照温度场分析表明【2】，在考虑微风环境下 万方数据 2012年2月 李鹏等：考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析 的温度变形仍然达到2InIll，占总精度要求的40％。 可见太阳照射的影响还是比较大的。因而必须研究 _爪阳照射导致的温度载荷对天线电性能的影响，包 括增益损失、副瓣电平和指向精度，即进行机电耦 合分析。类似的耦合分析已经在结构控制领域p卅 和天线领域91开展。 早期对于天线的温度载荷，依据经验公式通过 主面最大温差估算面精度16】，其分析精度已经难以 满足现代天线设计要求。当前国际上的大口径天线， 多数用于天文观测I，“J。射电天文望远镜的T作频段 较高，面精度要求可能达到微米级，必须采用合理 的热控措施。主动措施包括加天线罩保护【9j，或者 在背架上加空调系统【l⋯，以降低天线的温度梯度。 被动措施如表面喷涂高反射率的涂料以减少热吸 收⋯】。同时实时监控天线温度和变形，配合可调副 面，以保证电性能指标II“。主动措施的成本较高， 由于有空调系统，这样的天线在热分析时，一般从 环境温度出发，而不直接考虑太阳照射的影响。 对于未采用主动热控措施的天线，就必须考虑 太阳照射对天线的影响。太阳辐射在星载天线领域 的研究开展较早，成果较多，很多成果可以借鉴Il”。 地基天线的温度环境不如太空恶劣，但是影响因素 更多，如空气的对流换热。文献【1．2]的研究只涉及 热结构变形，未考虑对天线电性能影响，实际上单 ～的结构精度指标难以全面反映天线电性能。 本文使用某40m口径天线作为具体分析对象。 研究其处于不同地理位置，在不同的时间，受到太 阳照射的热流密度。以热流密度为热载荷，考虑传 导、对流和辐射时的天线温度分布情况。同时分析 温度导致的热变形情况，最后研究了热变形对天线 电性能的影响。 1天线结构及分析 1．1天线结构 作为分析对象的40m天线是“嫦娥工程”使 用的通信天线。如图l所示。该天线主面口径40m， 副面口径4．2m，焦径比O．33，天线主面由9圈464 块铝合金面板组成，口径26m以内是实面板，以 外是打孔面板。本文分析中假设全部使用实面板(高 频段天线全部使用实面板)。背架主要包括16根辐 射梁和6道平面桁架式环梁。中心体是正八边形桁 架结构，连接驱动大齿轮和背架。副面支撑直接连 接到背架上。背架、副面支撑和中心体采用焊接， 局部使用螺栓加固，背架与主面通过螺栓连接。 目l菜4um“证地星曲人线 1．2分析流程 本文针对这一天线的分析流程如图2所示。 图2地基面天线太阳辐射的机电耦合分析流程 首先根据天线所处的时间日期、地理位置和姿 态，计算天线受到的来自太阳的热流密度；然后将 热流密度作为载荷，考虑传导、对流和辐射三种传 热情况，对天线进行热分析，得到其温度分布；其 次将温度分布作为温度载荷加入天线的有限元模 型，通过结构分析得到天线变形；最后提取天线主 面变形，计算天线远场方向图，并给出主要电性能 指标，如增益损失，指向误差，副瓣电平等。 2热流载荷分析 太阳对地基天线的辐射取决于太阳在天空中 的位置、大气质量以及天线的材料特性、地理位置 和姿态。关于某一地理位置和时间，晴天无风时的 太阳辐射强度的数学模型有很多，其中比较具有代 表性的是ASHRAE晴空模型¨4】。 万方数据 138 机械工程学报 第48卷第4期 2．1 ASHRAE晴空模型 不同于太空的辐射环境，阳光穿过大气层时会 被大气中的分子、灰尘等散射和吸收一部分，这些 被散射的称为散射辐射，那些没有被散射和吸收而 直接到达地面的太阳辐射称为直接辐射，|一时周围 环境也会反射一部分太阳辐射，称之为反射辐射。 所以地面上的物体受到的辐射由三部分组成：直接 辐射、散射辐射和反射辐射，可表述如下。 直接辐射 ， 厶=彳eXp(一口／sin吼) (1) 反射辐射 ‘=(c+sin％)彳exp(一曰／sin啦)(2) 散射辐射 t=c4eXp(一丑／sin％)(3) 式中，4为大气质量为零时的太阳辐射强度B为大 气消光系数；c为散射辐射系数；氓为太阳高度角， 它随位置、日期和时间变化。 该模型中彳、口、c三个系数是根据美国大陆的 气候数据迭代回归得到的，对于美国以外地区的适 用性有限。故本文使用根据中国北京地区气候数据 修正的模型，其表述与AsH黜址模型基本一致，但 彳、曰、C系数的选取不刚巧J。 通过ASH鼬嗵模型，已知日期、时间和地理 坐标(用经度和纬度表述)，首先计算太阳高度角， 然后计算彳、B、c三个系数，最后可以得到晴天无 风时，垂直于太阳表面的辐射强度。 2．2天线表面的热流 假设天线姿态是仰天的，天线表面上的点也不 会都垂直于太阳照射方向，如图3所示，故需要研 究非垂直表面的太阳辐射强度。 路． 。一g U一＼／ 图3地基面天线太阳辐射的不恿图 直接辐射、散射辐射以及反射辐射分别为 Gd=CN厶cos吒 (4) G8=o．5(1+cos吼)L(5)Gr=以华‘ (6) 式中，G为大气清洁度，考虑到天线安装地点的 大气质量较好，可取值l【14】；口j为太阳光线与被照 平面的夹角；％为被照表面与水平面的夹角；展为 环境的反射率，草地一般取0．2，混凝土地面取 0．33【I⋯，本文分析时取0．2。 天线表面的太阳辐射总量 吼=风(Gd+G8+Gr)(7) 式中，风为天线表面的对太阳辐射的吸收率，天线 表面的涂层决定其取值，一般天线表面涂乳白色的 漆，吸收率可取0．3¨J。本文分析时未考虑涂漆的影 响，吸收率取1．0。 这样，当已知天线的地理位置、日期时间和天 线姿态，就可以计算出天线表面每一点太阳辐射的 热流密度。 2．3天线姿态与遮挡 天线工作的仰角一般是20。～70。。天线的不 同姿态会导致受到的照射部位不同，由于太阳的高 度角和方位角也随时间变化并导致照射部位变化， 本文的分析固定一个仰角，考虑不同时间的太阳照 射情况，假设天线是仰天的姿态。如需要分析其他 姿态时需要进行坐标变化。 此时，天线的遮挡包括周围环境的遮挡，副 面支撑结构对主面的遮挡，主面对背架以及背架 自身的遮挡，主面自身的遮挡。其中影响最大的 是最后一项。在太阳高度角很低时，主面会对自 身产生遮挡，由于其遮挡面积较大，是必须考虑 的，需要按照几何关系判断。如图4所示，入射 光线与被照射点法线的夹角小于90。即可照射， 反之则遮挡。 图4天线主面自身遮挡示意图 2．4热流计算结果 使用西北某地的地理坐标北纬34。29，，东经 107。767，计算该地区某年12个月每月21日13点 时，40m天线主面的圆形区域受到太阳照射的热流 密度总和，如图5所示。由图5可见6月份的热流 密度最大。 计算该地区某年6月21日，8～17点时，太阳 照射的热流密度，如图6所示。可见13点时热流密 度最大。 3温度分析 本节研究在热流密度载荷下，同时考虑结构传 万方数据 2012年2月 李鹏等：考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析 加 30 20 10 00 90 80 蘸[A 导、辐射及空气对流三种传热途径时，天线整体的 温度分布情况。 3．1温度分析模型 地基的面天线包括了传导、对流和辐射全部三 种传热形式。 (1)传导。天线主面、背架等结构体之间由于 存在温度梯度，而导致的内部热能流动，它会使天 线整体温度区域一致。 (2)对流。天线结构与空气之间由于存在温度 差而导致的天线与大气之间的热能交换，对于地基 天线是主要的传热方式，而且随着空气流速的增加， 会降低天线的温度分布梯度。 (3)辐射。天线与空气之间、天线自身之间由 于存在温度差，而使得热能以电磁能的形式相互传 递，包括外界对天线的辐射，天线对外界的辐射以 及天线自身结构之间的辐射，其中第一项即天线受 到的太阳热流，天线温度只有几十摄氏度，对外界 的辐射不明显，天线自身的温度差只有几度到十几 摄氏度，相互辐射更小。 本文温度分析使用有限元法，具体通过ANsYs 软件实现。 3．2边界和初始条件 温度分析的边界条件主要是环境温度日，考虑 到太阳照射面和阴影面存在明显的温差，故使用两 种环境温度。一天内的气温变化可以近似用正弦函 数表示“J，本文使用某年6月21日，在西北某地的 实测温度值，温度曲线如图7所示。面板辐射和对 流的空气温度使用阳面温度，背架在阴影区，使用 阴面温度。 时刻。 图7大气温度随时问变化曲线 天线背架结构的材料是钢，反射面的材料是 铝，认为材料各向同性，物性参数如表l所示。 表l材料物性参数 材 料 一 钢 铝 密度P， 导热系数Ⅳ 泊橙比 比热窖c， 弹性模量 (kg·m。)(w·／n一-K_1)Ⅳ U·，kg_‘·Krl)目OPa 7850 68 27∞ 237 03 033 4舯2∞ 8∞ 7l 天线表面对流换热系数的取值与流固表面的 相对速度有关【l”，本文中考虑无风情况，一般取5～ 20，主面取值15，背架取值12。有风时可参考经验 公式口】，但是有风的情况下，还应该综合考虑风荷 导致的结构变形。 瞬态问题的计算时间直接影响计算结果。对于 类似的问题，文献【2】采用较长的时程分析，连续分 析多天，直到任意时刻的温度与24h前温差小于 l℃。但是天线的太阳辐射每时每刻都在变化，天 线和环境的温度也是随时变化的，很难到达温度的 平衡状态。考虑到太阳辐射在一个较短的时间(大约 数分钟)段内可以认为是不变的，故本文的分析时间 依据温度试验数据给定，在5mjn的时间内做连续 时程分析，判读测试最高温度点对应的仿真温度与 实测温度的差值小于0．2℃，此时的时间就作为瞬 态分析的时间。 3．3温度试验 为了验证前面所述热流载荷和温度分析模型， 利用某7．3m卡氏天线进行了温度试验。该天线有 限元模型如图8所示。 图8某7．3m天线有限元模型示意图 图9是试验现场照片：标号1是DAIJ，Asl8820 温度传感器；标号2是与传感器相连的串行接口板， 每块板接8个传感器，图2中可见7个，还有一个 未照出；标号3是西安电子科技大学制作的 p啬毯赠 一，旱≈呈≮争越静琚最 万方数据 陶9某7-3m大线温度测试实物幽 sTc89C5x数据采集卡，用以采集8个传感器的数 据；标号4是数据处理用的便携式计算机。这一套 测温设备中，元器件均为采购，系统集成和软件都 是自行研制的，通过电子测温仪校正，温度测量精 度为0．2℃，测温范围满足试验要求。 具体试验步骤如下所述。 (1)一共在天线主反射面上放置32个温度传感 器，分为4组。另外记录太阳阴面和阳面的环境温 度。主面传感器分布、天线坐标系和地理方向如图 10所示。 ￡ 愿≥。铲◇＼ 图10温度传感器分布示意图 (2)选择天气晴朗无风的日子，在同一天10： 30和15：30分别记录两组天线温度，每个传感器 间隔ls采集60s，取平均值。 (3)记录测试地点的经度和纬度，试验日期时 间和环境温度。 (4)将该7．3m天线使用ANSYs软件建立有限 元模型，提取主面单元的结点坐标。 (5)根据试验的日期、时间和地点计算太阳辐 射强度，根据主面单元坐标计算太阳入射角，最终 得到主面每个单元热流密度。 (6)将单元热流密度加载到ANSYS模型上，作 为热流载荷，设置相关材料和环境参数，进行瞬态 热分析，得到天线温度分布。10：30和15：30的 温度分布如图1l所示。 (7)数据对比。将32个测温点分为四组，l～8 为第一组，9～16为第二组，17～24为第三组，25～ 32为第四组。按照温度传感器安装的位置提取天线 ANSYs模型中相应结点的温度值，与试验测试的 结果对比，并绘制温度曲线，如图12所示。 雩参 i@⋯ 嚣麟锻值”l⋯，、——测量值 嚣麟岫始 ，咭_—}‘卜1}喵—击—扣矗 测温点Ⅳ 图12天线温度实铡与仿真对比 由图12可见，实测温度和仿真温度曲线的趋 势基本一致，具体的数值略有偏差。试验当天下午， 天空略有浮云遮挡，故下午的测试温度略低于仿真 温度，误差稍大。但总体上温度分布的趋势还是一 致的。误差主要来自三个方面：①实际天线主面有 馈源的阴影遮挡，而仿真中没有考虑：②主面与背 架和中心体连接处的温度连接关系设置是否合理； ③传感器的位置和仿真模型的点也有微小偏差。 对照传感器分布图和温度分布图，大致可以判 断，上午最高温度为第二组，最低温度为第四组， 下午最高温度为第一组，最低温度为第三组。对照 传感器分布图中的方位，也可以得出类似的判断： 黧一 万方数据 ’ 2012年2月 李鹏等：考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析 141 上午太阳从东南方向照射，故西北角温度最高，东 南角温度最低，下午太阳从西南方向照射，故东北 角温度最高，西北角最低。此外主面与背架和中心 体连接的地方温度明显较低，是由于背架在阴影处， 温度较低的缘故。 3．4天线温度分布 对40m天线做同样的分析，分析时间是某年6 月21日8：00～17：oo，共10h。具体的主面温度 分布如图13所示。 图1340m天线8：00～17：00温度分布图 由图13中可以看到，随着时间由早到晚的变 化，天线主面上的最高温度区域也由西北方向逐 渐转向东南方向，最高温度出现在中午13：00～ 14：00的时候，并且在8：00、9：oo和17：00， 都有明显的主面自身遮挡的阴影。这样的温度分布 也是符合物理常识的。表2列出了天线主面的最大 温差。 表2 40m天线主面8；∞～17：00最大温差 堕型! !!竺 !!竺 !!!竺!!：竺!!：竺 主面温差△口，℃ 5798 81149503 10．173t0436 堕型! !!!塑!生竺!!!竺!生竺!!!竺 主面温差A疗，℃ Io嬲 lo394 lm01291557538 4结构分析 本节研究在温度载荷下，通过结构分析得到天 线的主面变形。 4．1有限元模型 使用ANSYS建立天线有限元模型，包括反射 ．体部分，叉臂和基座未建模。有限元模型由65475 个节点和143748个单元组成，包括16917个梁单 元和126342个壳单元，天线主面和大齿轮使用壳 单元，背架、副面支撑和中心体桁架都使用粱单元， 天线主面和背架通过单元节点约束实现连接， 副面和齿轮配重没有实际建模，使用质量点代替。 分析时，将中心体桁架结构与叉臂和大齿轮连接的 单元节点设置自由度约束。 4．2结构响应 结构响应主要包括热应力和热变形。由于地基 天线的温度梯度较小，所以热应力很小，最大温度 梯度时的应力也远远小于材料的许用应力。 热变形则要明显一些，最大变形出现在14：OO， 变形的趋势与温度分布基本一致，早晚时刻变形是 不对称的，而中午的变形分布则更加对称。最大变 形区域基本处于温度最大的区域，可参考温度分布 图。同时由于最边缘的单元外围没有其他单元约束， 故边缘的变形更大。主面变形直接影响天线电性能， z向变形的影响最大，其方均根误差 R姗2撬蜢扣 f n ， (8) 式中，H表示主面节点数目，△互表示第f个节点的 z向位移。计算8：00～17：oo共10个时刻的面精 度列于表3。可见变形在13：00～14：OO达到最大， 此时也正是一天内温度晟高的时刻。 早期分析天线的熟变形一般根据经验公式16】 n ‰，o=o．38“云i。△r (9) lUU 式中，D表示天线口径；△r为天线结构的最大温 差。由于经验公式只考虑最大温差，而不能考虑具 体的温度分布和天线结构形式，其计算结果只具有 粗略的参考价值。而本文使用有限元法计算结构变 形，可以考虑温度分布和天线结构的细节，因而更 具参考价值。根据式(9)计算的主面精度也列于表3。 表3不同时问的天线的表面：向误差 咖 时刻f 8：∞9：0010：00ll：0012：∞ 式(8)的面精度置靠 l 061 20183062 41434561 式(9)的面精度足阻o0880l 233 1．4“ l 546 1．586 时_刘f 13：∞ 14：0015：0016：oo17：00 式(8)的面精度置啊 49595ool 419333942307 式(9)的面精度且-∞ l 587 l 5∞ l 52l l‘392 1145 夏一一一◆一■一虿一重◇零零亏一 万方数据 142 ■ 机械工程学报 。 第48卷第4期 可见在早晚温差较小的时刻两种方法计算的 热变形较为接近，但是在温差升高以后计算结果差 异较大，但是总的趋势还是一致的。有限元法计算 值较大，可能原因：①温度分析中材料吸收率为l， 高于工程中涂漆表面的O．3；②有限元法计算的表 面精度是节点变形的绝对量，而天线工程中常用的 表面精度值是要减去误差均值的，或者使用拟合误 差№j。当然有限元法计算结果依赖于有限元建模的 准确性，对于复杂桁架结构的热结构耦合问题的有 限元准确建模也是比较困难的，尤其是各种连接处 的热参数设置。但是用同样的模型分析不同的工况， 其变形规律还是能够反映实际情况的。 5电性能分析 本节由结构变形计算天线的远区电场分布，绘 制天线方向图，并给出增益损失、副瓣电平和指向 精度误差等主要电性能指标。 5．1 电性能计算模型 天线远区电场可以用式(10)的数学公式表示【6】 E(目，≯’)=II／(p7，≯’)exp(／r)exp(／妒(p’，≯’))p’如’d≯’ ? (10) 式中，E表示远场某点的场值；厂、妒分别为口径 场S7的幅度和相位分布函数；f是相位差；其他 相关变量如图14所示。S表示反射面；F为其焦 点；S’为天线口径面；p、≯分别为天线俯仰角 和方位角；p’、≯’为反射面上某点在口径面投影 的极坐标。 y 个 ◇ JD ．r弋 p1 ．∥～ L、’＼1√ ， 、 、、 ＼ ＼ J ‘k＼ ／ jSl| 图14反射面天线变量示意图 将变形转化成电磁波传播距离的变化，并进一 步转化为口径面的相位分布变化㈣。 f=47c△z(p’，≯’)cos2(善／2)／见(11) 式中，△z是反射面表面的轴向变形即z向变形；力 为波长。 天线变形也会导致口径面幅度分布变化，但是 有研究表明，微小变形导致的幅度变化对电性能的 影响远小于相位变化的影响，通常可忽略。 通常不直接求解式(10)的二重积分，而是将反 射面的积分区域划分成Ⅳ个单元网格，使用数值积 分求解，具体方法参见文献【18．19】。 5．2相位差计算 计算远场方向图时，需要每一个三角形单元内 部点的z向位移。结构分析只能给出单元三个顶点 的z向位移，其内部点的位移只能差值计算。单元 内任意一点的位移可以用单元形函数和单元顶点位 移差值得到，如图15所示。 图 二维三角形单元的线性形函数 Ⅳf=％+屈z。+乃y。f=l，2，3 (12) 式中，形函数Ⅳf可以用系数q、屈、乃和单元内 点的坐标矿、y。表示，系数q、屈、以则是三角 形三个顶点坐标(薯，乃)、(0，乃)、(％，败)的函数。 单元内点的位移可以表示为 万。=(ⅣfⅣ，M)(4万，瓯)’(13) 式中，谚、芬、瓯是单元三个顶点的位移。 将单元顶点的z向位移代入式(13)得到单元内 任意点的z向位移△Z。，通过式(11)，即可得到单 元内任意点的相位差。 5．3结果和讨论 对第4节分析的8：oo～17：00共十个时刻的 天线结构变形，在仿真频率8GHz时分别计算其远 场方向图，得到增益损失、E面与日面的指向精度 偏差和左右第一副瓣电平，列于表4，理想天线的 半功率波瓣宽度0．06。，副瓣电平一14．6ldB。 由表4数据可知，天线的增益损失与主面精 度，密切相关，面精度越低，增益损失也越大， 最大值都发生在13：00～14：00，此时也是温度 最高的时刻。指向精度的最大误差值大约是半功 率波瓣宽度的10％，热变形的影响明显。但是指 向精度与主面精度的关系并不直观，而与误差的 分布有关。 万方数据 2012年2月 李鹏等：考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析 143 表4不同时间的天线指向误差和增益损失 图16绘制出指向误差随时间变化的趋势，从 正对天线口径面的方向观察，两个坐标轴分别表示 E面和Ⅳ面的误差，同时还标注出了理论举标和地 理方向。理想天线的电主轴位于D点。由图16可 见，热变形导致的天线电主轴偏离D点，总体上随 时间做逆时针运动，参考天线随时间的温度分布图， 可以发现电主轴的变化曲线与最高温度在天线主面 上的变化趋势正好是相反的。从指向误差的绝对值 来看，早晚的误差更大一些，而中午的误差反而小 一些。因为中午虽然的温度高误差大，但是误差的 分布相对E面对称，故E面指向误差小，Ⅳ面指向 误差大；而早晚温度低、误差小，但是误差分布相 对于Ⅳ面对称，指向误差变成E面大，日面小。同 时由于天线处于北半球，总体上天线主面偏北的部 分受到太阳照射更多，变形也更大，因而电主轴指 向容易向南偏移，在东西方向则随着早晚太阳照射 方向的不同而变化，早上偏向东，下午逐渐偏向西。 E 飞。’八一 心 ．∥N 图16天线指向误差随时间变化曲线 图17绘制出8：00和13：00的天线方向图。 分析可以发现，天线变形越大，方向图的变化越大， 尤其是远区波瓣变化明显，在时间历程上与结构变 形的趋势类似，早晚变化小，中午变化大。副瓣电 平和指向精度在图17中不明显，具体值可查看表3。 ∞ 勺 b 辐 鍪 篁 1 县 ∞ 罨 褶 磐 篁 1 丑 ∞ 罨 褶 舞 甚 1 丑 角度日／(。) (a)8：ooE面方向图对比 O 角度争／(。) (b)8：00厢方向图对比 角度口，(。) (c)13：00￡面方向圈对比 角度p／(·) (d)13：00何面方向图对比 图17变形天线方向图与理想方向图对比 需要注意的是副瓣电平的变化，根据表中数 据，变形后的天线副瓣电平提升，而且左右副瓣的 变化是不对称的。副瓣电平提升的程度与误差大小 相关，误差大，副瓣提升大。但是不对称的趋势， 则与天线的指向误差的变化类似，早上层面对称， 日面差异大左高右低，中午的差异要小些，晚上则 o ∞ 如 ∞ 舳 ∞ 加 一 一 一 一 ● ● ∞々，D褶骜草1目j 万方数据 机械工程学报 第48卷第4期 与早上类似，但日面的差异相反左低右高，这是天 线变形的分布造成的。 从天线的增益损失、指向误差和副瓣电平可以 明显反映出热变形对天线电性能的影响，而且很多 指标与天线温度和结构变形量的关系并不直观，不 进行机电耦合分析很难发现。通过分析发现电性能 的变化与基本的物理常识的理解也是一致的，当然 实际中的情况比较复杂，还需要通过试验验证相关 的结论。 ． 6结论 本文针对大型地基反射面天线的太阳照射问 题，进行了热流、温度、结构和电性能的机电热集 成分析，直接研究了太阳照射对天线电性能的影响。 研究结论如下所述。 (1)使用改进的ASHARE晴空模型可以较为准 确的计算天线所受热流密度。 (2)同时考虑对流、传导和辐射三种传热形式 计算得到的天线主面温度分布与实际情况符合良 好，但应注意相关材料热参数的准确选取。 (3)对天线进行机电耦合分析发现，天线的主 要电性能指标变化不但与天线主面变形的大小相 关，而且与主面变形的分布有着紧密联系。 (4)尤其是天线的指向变化和副瓣电平的对称 性，不通过机电耦合分析是无法准确判别的，表明 机电耦合分析的重要性。 同时本文的研究方法也存在一些问题。 (1)温度试验中应测量副面支撑和背架的温 度，还应考虑馈源处的聚焦效应对温度的影响情况。 (2)结构变形的计算中，有限元建模的合理性 直接决定计算结果的正确性，很多近似和简化的合 理性还需要通过试验来证明。 (3)电性能计算模型中未考虑副面或馈源的热 变形，而实际的天线副面或馈源位置是影响电性能 的关键，还需要将这部分变形考虑进去。 在后续的工作中，还需要研究对于热变形后的 面天线，通过何种措施补偿或降低热变形对电性能 的影响，以便更好地指导工程。 参考文献 【l】IMBR从LEWA，GAMAE，SMITHKS，eta1．The衄al co璐ide嘣。衄衙 hydmfo姗edrcflectors[C】仉EEE AerospaceC0n姗％ce，March4-ll，2006，BigSb Montal地US：JetPropulsi蛐I抽or呦吼Nati∞al At∞咖tics锄dSp∽eAdnlinis删olI'2006：l·14． 【2】FANF饥g，ⅡN)(i∞fei，sHENShizh∞．E疏ctof 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SystemsEngineeringand Elec仃onics，2009，31(2)：347—351． 作者简介：李鹏(通信作者)，男，1981年出生，博士，讲师。主要研究 方向为电子装备机电热多场耦合问题及其数值求解。 E-mail：)，i】凸hon90523@163．c蛐 (上接第135页) 【16】马志先．HFC245fa水平管束外冷凝换热及其强化试验 研究【D】．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007． MAZhixi柚．Exp甜mentalinvcstigati伽∞condcnsati∞ heat仃撇sf-盯锄ditseIlhancemeIltofHFC245faoutside horizontaltubeb吼dles【D】．Harbin：HarbinIns咖鹏of 1kllnology’2007． 【17】KERN，DQ．Processheat缸ansfe玎M】．NewYork： Mac(衲lW-Hill．1965． 【l8】王补宣，任泽霈，黄其励，等．含汽气流冷凝换热的实 验研究【J】．机械工程学报，1987，23(1)：ll—18． ⅥCANGBux啪，RENZ印ci，HUANGQili，eta1． Exp耐mentalstudyofcondalS_ati蚰heat衄msfhf．of coolingg觞nowcontainingwaterVapor【J】．Chine∞ Jo哪豫lofMccllanicalEn舒neering，1987，23(1)：1l-18 【19】MA丑政i粗，ZHANGJili，SuNDexing．IIl如dati伽 e仃ect粕ditseliminati∞inshell锄dn慨condenser[C】／／ Proc．14也IntemationalHeatT】脚皓fhConf．erencc． ALu2：ust8一13，2010，WashiIlgbDnD．C．，2010：261-267． 作者简介：马志先，男，1982年出生，博士研究生。主要研究方向为水 平管外膜状凝结换热试验、理论及相关高性能换热设备与强化换热技术 开发。 Bmail：吐i)【i柚·ma@163．锄 张吉札(通信作者)，男，1969年出生，博士，教授，博士研究生导师。 主要研究方向为蒸发冷凝先进强化换热理论与换热装备，空调制冷，建 筑节能。 Bmail：吐m西ili@“t．edu．cn；习Ⅻut@dlut．幽．饥 万方数据 考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析 作者： 李鹏， 段宝岩， 郑飞， 周生怀， LI Peng， DUAN Baoyan， ZHENG Fei， ZHOU Shenghuai 作者单位： 李鹏,段宝岩,郑飞,LI Peng,DUAN Baoyan,ZHENG Fei(西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实 验室 西安 710071)， 周生怀,ZHOU Shenghuai(中国电子科技集团公司第三十九研究所 西安 710065) 刊名： 机械工程学报 英文刊名： JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2012,48(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxb201204022.aspx