劉秀利

（中國電子科技集團公司 第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

多波束天線和相控陣天線均可實現(xiàn)二維電掃描，與相控陣天線相比，采用電子開關(guān)切換的多波束天線實現(xiàn)二維電掃描更加經(jīng)濟，是低成本二維相控陣雷達的較好選擇。Rotman 透鏡天線就是一種多波束天線，其本質(zhì)上是具有多個輸入口和多個輸出口的微波饋線網(wǎng)絡(luò)，其中每個波束端口對應(yīng)一個波束指向，若干交叉的波束即能覆蓋一定角度范圍的空域，在毫米波雷達和電子戰(zhàn)設(shè)備中應(yīng)用廣泛[1～3]。

Rotman 透鏡天線主要由波束口、透鏡腔、陣列口、移相傳輸線以及輻射單元組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的波導(dǎo)等組成要素的形狀、位置、表面精度以及一致性是保證波束指向和插損等技術(shù)指標的關(guān)鍵；同時，在二維相控陣雷達中，需要多個透鏡天線進行組裝以形成天線面陣，因此天線的精密制造和組陣裝配是保障雷達性能指標的重要因素。在毫米波頻段，因受體積、重量、陣元間距、陣元個數(shù)、工作頻率等戰(zhàn)技術(shù)指標需求影響，波導(dǎo)型Rotman 透鏡天線更加小型化和集成化，波導(dǎo)腔多、板壁薄、波導(dǎo)腔面積比大、精度要求高，為天線制造及組陣裝配帶來較大難度，需要詳細的工藝設(shè)計和嚴格的過程控制。

1 工藝性分析

某毫米波二維相控陣雷達天線系統(tǒng)采用波導(dǎo)型Rotman 透鏡天線組陣實現(xiàn)，天線陣元外形尺寸（300×370×5）mm， 為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Rotman 透鏡天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 The internal structure of the Rotman lens antenna

天線具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、剛性差極易產(chǎn)生變形的特點。首先天線工作于毫米波頻段，內(nèi)部密布波導(dǎo)腔，波導(dǎo)腔與波導(dǎo)腔之間壁厚均小于2mm，其中輻射口處脊寬及底厚最窄處不足1mm，波導(dǎo)腔內(nèi)又分布若干獨立的、不等高的微小凸臺，所有內(nèi)部尺寸及形位精度普遍要求±0.02mm，表面粗糙度Ra1.6μm，天線加工及組焊難度大；其次天線為大面積空腔薄板結(jié)構(gòu)，約70%的材料被切除，且結(jié)構(gòu)不對稱，特別是底部呈開放狀，其加工和焊接過程均極易發(fā)生形變，難以滿足后續(xù)天線面陣組裝要求，嚴重影響影響天線性能指標。

通常情況下，采用線陣天線單元進行組陣，線陣天線單元壁厚僅0.5mm，零件剛性差、焊接變形大，既為薄壁陣元腔體和薄壁封裝蓋板的精密加工帶來了困難，又對天線單元精密焊接帶來了嚴重挑戰(zhàn)。由于天線系統(tǒng)是由線陣天線單元陣列組裝形成面陣，因此將適度數(shù)量線陣單元組合為面陣天線單元進行制造，顯著優(yōu)化了天線工藝性。不僅加工零件數(shù)量減半，而且相鄰兩線陣天線單元間壁厚至少是線陣單元壁厚的兩倍，達1mm 以上，零件剛性顯著增強，抗加工變形和焊接變形能力顯著提高，天線成品率和生產(chǎn)效率將會顯著提高。

2 工藝設(shè)計

Rotman 透鏡天線是雷達射頻前端的關(guān)鍵部件，天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀、位置、尺寸及表面精度是電訊設(shè)計要求的重點，因零件層壁薄、空腔面積大，零件加工困難而焊接成品率低，經(jīng)過反復(fù)摸索及實驗驗證，制定了以高速銑、真空釬焊、工件精密裝夾、組件精密組裝等主要技術(shù)實現(xiàn)天線精度及變形控制的工藝方案。

在工藝流程上，分為粗加工和精加工完成天線制造。粗加工厚度兩面，采用多次翻面加工表面厚度的方法減少切削變形，并輔以人工時效釋放工件應(yīng)力，再行天線精密切削加工及焊接。為進一步提高工件剛性，減小工件銑削時的應(yīng)力變形，設(shè)計工藝邊框?qū)⒐ぜ苓呎w包圍，變開放式薄底結(jié)構(gòu)為封閉式薄底結(jié)構(gòu)；為控制切削變形，采用高速銑結(jié)合微變形裝夾手段；為保證天線方位和俯仰方向的裝配精度，在一次裝夾同一基準下，完成腔體、焊接定位銷孔、側(cè)面接口定位銷孔的加工，并采用精密線切割成組切除工藝邊框；為控制焊接變形，設(shè)計制造專用工裝，保證內(nèi)腔填充張緊和自適應(yīng)平面壓夾。天線制造工藝流程見圖2。

圖2 Rotman 透鏡天線工藝流程Fig.2 The manufacturing process of the Rotman lens antenna

3 關(guān)鍵工藝

精密加工技術(shù)和精密焊接技術(shù)是實現(xiàn)Rotman 透鏡天線的關(guān)鍵工藝，是影響天線性能指標的重要環(huán)節(jié)。

3.1 精密加工技術(shù)

透鏡天線具有多腔、薄壁、薄底、高精度特點，不僅需要先進的精密加工設(shè)備，還需要系統(tǒng)的數(shù)控工藝設(shè)計以及可靠的裝夾技術(shù)，才能達到設(shè)計要求的加工質(zhì)量。

（1）數(shù)控加工工藝。高速銑具備切削效率高、切削力小、熱變形小、表面加工質(zhì)量高等特點[4]，非常適合Rotman 透鏡天線這類精度高而剛性差的薄壁零件。由此，選用高速銑削加工中心、HSK 刀具系統(tǒng)以及硬質(zhì)合金整體立銑刀進行天線陣元精密加工。

在工序設(shè)置上，先加工工件表面，再加工定位銷孔，最后加工波導(dǎo)腔等特征要素；先用大直徑立銑刀粗加工波導(dǎo)腔，去除波導(dǎo)腔內(nèi)絕大部分材料，為精加工預(yù)留0.05mm 余量，再用小直徑立銑刀精加工至最終尺寸。

在數(shù)控加工程序編制上，為實現(xiàn)精密加工要求，工件表面（特別是轉(zhuǎn)角側(cè)壁表面）無振紋的良好加工質(zhì)量目標，對數(shù)控加工程序進行合理設(shè)置和優(yōu)化。為保持機床切削連續(xù)性、保證零件精度，采用了圓弧進退刀；為保證切削應(yīng)力均勻釋放，對波導(dǎo)腔采用了對稱加工并采取層優(yōu)先的切削策略；為提高表面切削質(zhì)量，延長刀具壽命，采用了順序銑；為保證波導(dǎo)腔轉(zhuǎn)角無振紋，采用了對轉(zhuǎn)角增加速率補償、增加圓弧路徑等措施；在切削參數(shù)設(shè)置上，應(yīng)用了小切深、快走刀原則，將切深控制在10%刀徑以下，每齒進刀量不超過0.05mm，保證加工精度；生成的路徑及NC 代碼經(jīng)仿真?zhèn)髦翙C床上進行試切加工，準確無誤后再行加工天線零件。

（2）裝夾定位技術(shù)。由于天線零件外形大而薄，底厚只有1mm，用通用壓持方法會導(dǎo)致銑削過程中工件特別是透鏡腔區(qū)域發(fā)生振顫及變形，從而損失天線精度，難以達到設(shè)計要求。利用天線底面實心狀態(tài)，利于負壓吸附原理，采用真空吸附夾具裝夾工件。將工件吸附于特制吸盤臺面上，保證工件區(qū)域都能始終與臺面緊密貼合，防止天線加工過程中發(fā)生變形，有效保證天線尺寸精度和表面質(zhì)量，同時避免了加工過程中夾具與刀具干涉問題。

在定位基準上，由于增加了工藝邊框，為了與設(shè)計基準保持一致，并為后續(xù)去除工藝邊框提供統(tǒng)一基準，工件裝夾好后精加工定位兩直邊，再在特定位置銑削基準圓孔，形成一孔兩邊統(tǒng)一基準。

在高速銑削數(shù)控設(shè)備、數(shù)控加工技術(shù)以及精密裝夾技術(shù)等工藝措施保證下，天線透鏡腔及網(wǎng)絡(luò)饋線、輻射口等要素尺寸、位置、形狀精度均得到了良好保證，為天線性能和組裝焊接奠定了基礎(chǔ)，圖3為精密加工完成后的天線工件數(shù)碼照片。

3.2 精密焊接技術(shù)

圖3 Rotman 透鏡天線工件數(shù)碼照片F(xiàn)ig.3 The workpiece photo of the Rotman lens antenna

圖4 焊接夾具插芯結(jié)構(gòu)模型Fig.4 The structure model of the welding clamp ferrule

Rotman 透鏡天線工藝設(shè)計為平板封裝結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、清洗困難，因此，選用真空鋁釬焊技術(shù)實現(xiàn)面陣天線單元的精密焊接。

（1）焊接組裝技術(shù)。雷達天線系統(tǒng)由多個Rotman透鏡天線單元組裝而成面陣。為了實現(xiàn)每組天線的順利組裝，保證天線單元陣面排列精度，以天線輻射單元為基準加工定位銷孔及基準邊，實現(xiàn)基準的精確傳遞。在焊接組裝時則采取一面雙銷的定位方法進行組裝，既保證天線輻射單元相對位置，又保證焊接中不發(fā)生相對位移。

在天線單元組件的裝夾上，考慮到釬焊最高溫度下母材強度急劇下降、存在塌陷變形的風險，設(shè)計制造專用工裝，通過插芯對透鏡天線內(nèi)部空腔充實脹緊，通過彈性壓夾機構(gòu)保證天線封裝面精密接觸、釬料充分填充焊合面間隙以及天線焊后平面度。插芯為組合式結(jié)構(gòu)（圖4），焊接前裝入芯子，焊接后抽取左邊芯子，再抽取右邊芯子，有效減少零件焊接塌陷變形。

（2）真空釬焊工藝。真空釬焊料的精密成型和組裝定位是實現(xiàn)天線單元精密焊接的關(guān)鍵。依據(jù)焊合面形狀將箔狀釬料切割成型，再將成型焊料箔點焊固定于工件上，接著通過“一面雙銷”定位完成陣面天線單元的焊接組裝，最后完成焊接工裝裝夾，放入真空爐進行焊接。

焊接過程控制是實現(xiàn)天線單元精密焊接的重要環(huán)節(jié)。首先，工件良好的表面處理是保證釬焊成功的前提，鋁對氧的親和力極大，表面極易生成一層致密的、穩(wěn)定的、熔點很高的氧化鋁膜，室溫下氧化膜為5nm，在500～600℃下膜厚劇增至100nm～200nm，而成為釬焊的主要障礙[5]。適度的酸洗可有效去除工件表面的油脂、有機物、特別是氧化膜，滿足釬焊要求。值得注意的是，經(jīng)過酸洗的工件應(yīng)在短時間內(nèi)完成釬焊，以減少工件被再次污染和氧化的可能，有利于保證釬焊質(zhì)量。其次，需根據(jù)工件及夾具材料、形狀、大小設(shè)置合理的熱循環(huán)參數(shù)。最后，需嚴格控制焊接區(qū)溫度，保證釬料充分熔化而母材不熔化，獲得良好的焊接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

Rotman 透鏡天線設(shè)計要素多、精度要求高，本質(zhì)上為空腔薄壁結(jié)構(gòu)件，零件精密加工和組件精密焊接是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)，但首先需要從工藝性出發(fā)，電路、結(jié)構(gòu)及工藝進行協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化，再對關(guān)鍵制造過程進行重點控制。Rotman 透鏡天線的研制，歷經(jīng)了優(yōu)化設(shè)計、工藝試驗、測試驗證、組裝應(yīng)用等不斷優(yōu)化的過程，獲得了穩(wěn)定的加工質(zhì)量，制造完成的Rotman 透鏡天線波束指向和插損等關(guān)鍵指標一致性好，實現(xiàn)了天線的高戰(zhàn)技術(shù)要求。

[1]石星.毫米波相控陣雷達及其應(yīng)用發(fā)展[J].電訊技術(shù)，2008，1.

[2]楊勝華，彭祥龍，李一民.一種毫米波二維電掃有源相控陣雷達[J].電訊技術(shù)，2012，5.

[3]陳春紅.毫米波Rotman 透鏡天線設(shè)計[J].電子工程師，2006，11.

[4]艾興，等.高速切削加工技術(shù)[M].北京：國防工藝出版社，2003.

[5]張學軍.航空釬焊技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.