宋 敏，胡勁松，吳文志，張榮明

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

機載高精度相控陣雷達天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計*

宋 敏，胡勁松，吳文志，張榮明

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

以某機載高頻天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，介紹了高頻機載天線陣面的結(jié)構(gòu)特點及其高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。對天線陣面的設(shè)計要求、天線系統(tǒng)組成和設(shè)備集成方式進行了介紹。重點對可插拔的一體化線源模塊以及天線框架的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計和天線陣面設(shè)備的密封設(shè)計進行了詳細敘述。最后通過力學(xué)仿真分析，驗證得出該天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，剛強度滿足設(shè)計要求。

機載天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析；熱設(shè)計；密封設(shè)計

引 言

高頻雷達天線的電性能極易受天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響，故而對天線結(jié)構(gòu)的精度設(shè)計提出了很高的要求，如某X波段相控陣天線其位置精度要求達到 ± 0.1 mm。同時機載天線由于受平臺限制，具有結(jié)構(gòu)重量要求苛刻，振動環(huán)境惡劣，安裝和維修空間有限的特點，對散熱性、密封性和可靠性要求較高，而這些特點又常會存在相互矛盾的因素。機載雷達的小型化、輕型化已成為一種迫切的需求，而雷達的小型化卻會使得產(chǎn)品的單位熱流密度增加，從而增加熱設(shè)計的難度[1-2]。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須綜合考慮產(chǎn)品的功能、尺寸、重量、強度、散熱性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性等各個方面[3]。

1 天線陣面的系統(tǒng)設(shè)計

1.1 天線陣面系統(tǒng)組成與設(shè)計

某X波段機載有源相控陣天線陣面包括天線組件、背板、陣面電源、陣面監(jiān)控校正、饋線和冷卻設(shè)備等。如圖1所示。

圖1 天線陣面組成

根據(jù)天線陣面各部分的功能和互聯(lián)關(guān)系，并結(jié)合裝機位置、設(shè)備布局、電纜走線、安裝、冷卻和可維修性等因素，天線陣面的結(jié)構(gòu)采用了集成化和模塊化設(shè)計方法。

首先將天線俯仰向單元與列網(wǎng)絡(luò)合成，設(shè)計成線源，射頻前端采用獨立設(shè)計的模塊，再將線源與射頻

前端集成安裝在一起，使其成為可插拔并可擴展的線源組件，線源組件與背板采用盲插形式連接。如此形成了前端線源、陣面框架以及后端部件3 個部分。

前端可擴展線源組件作為核心部件，集成了天線、功分網(wǎng)絡(luò)、射頻前端等設(shè)備，并且集反射面、輻射單元和合成網(wǎng)絡(luò)等功能于一體。如此形成了一個完整的功能部件，從而提高了裝配、調(diào)試及維護的效率，同時能滿足天線陣面的擴展性需求。

天線陣面通過陣面框架與載機平臺進行連接固定，陣面框架是天線陣面的安裝和承力主體。線源經(jīng)由框架上的導(dǎo)軌定向，并通過鎖緊器、定位螺釘?shù)扰c框架固定。在對框架的設(shè)計中，需對飛機接口、線源安裝、后部設(shè)備進行一體化考慮，合理設(shè)計構(gòu)型并進行減重設(shè)計。

電源、陣面監(jiān)控等布置在背板的后部，背板與框架剛性連接。背板各部分相互獨立，通過盲插裝置與前端線源信號互聯(lián)，通過電纜組件與陣面后部設(shè)備信號互聯(lián)。由于線源上的射頻前端單元工作時發(fā)熱量較大，自然散熱無法滿足其散熱需要，綜合考慮天線陣面熱耗和熱控的可靠性要求等因素，采用干式傳導(dǎo)冷卻的方式進行散熱，即模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過模塊端面?zhèn)鬟f到冷板上，再由穿過液冷板的冷卻液帶走，冷板與背板采用了分離式設(shè)計。通過上述集成化設(shè)計，天線陣面形成前、中、后3大部分，避免了復(fù)雜的多級裝配，既保證了天線尺寸精度也便于后期的維護。

1.2 天線陣面的高精度保證

該天線重量要求苛刻、接口受限、承受過載、隨機振動、沖擊等綜合載荷，這些要求都給結(jié)構(gòu)的精度設(shè)計帶來了很大的難度。

為了保證天線振子在各種工況下精度指標(biāo)要求，主要采用了以下幾種方法：

1)優(yōu)選結(jié)構(gòu)受力形式和傳力方式，主承力框架采用整體加工的薄壁空腔結(jié)構(gòu)，線源采用陣子一體化設(shè)計的模塊化結(jié)構(gòu)；

2)在綜合考慮加工工藝水平及加工成本的前提下，合理分配精度、控制公差帶，提高天線精度，影響天線精度的因素包括線源加工和裝配誤差、框架加工誤差、陣子安裝誤差、結(jié)構(gòu)靜動態(tài)變形等，設(shè)計中對這些因素進行綜合考慮并合理分配；

3)運用參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，對截面尺寸等進行參數(shù)優(yōu)化，同時對結(jié)構(gòu)剛度進行優(yōu)化，設(shè)置減輕孔、布置加強筋等，進一步提高了骨架的剛度，最終提高天線精度；

4)充分利用成熟工藝和工裝定位輔助，降低裝配(焊接、螺栓連接)、安裝過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形。

2 線源和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 可插拔線源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

線源是天線的核心部件，通過功分器等設(shè)備與陣子連成一個模塊，減少了連接電纜的使用，有效減小了陣列的插損，出現(xiàn)故障或發(fā)生損壞時也可以及時更換。功分器的外殼同時也作為天線輻射的地板。

結(jié)構(gòu)精度要求高、可插拔維修、抗振動沖擊、重量要求輕等是線源結(jié)構(gòu)設(shè)計主要的重點及難點。其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從以下幾個方面予以保證。

1)精度設(shè)計。綜合考慮現(xiàn)有機加工水平和設(shè)計成本，合理分配公差，提高精度；通過剛度優(yōu)化設(shè)計，提高安裝框架和線源自身的剛度，保證設(shè)計精度。

2)陣子連接設(shè)計。采用角件連接方式，在角件上伸出銷柱進行定位，采用真空釬焊固定保證反射面平面度。

3)線源定位方式。采用兩個定位銷控制線源的上下方位，定位銷孔采用橢圓孔形式以避免過約束；通過導(dǎo)軌一側(cè)的公差配合來控制線源的左右方位。

4)線源固定方式。綜合考慮線源所處力學(xué)環(huán)境及插拔方式，利用兩個鎖緊器的靜摩擦力來固定線源，同時定位銷也起到輔助固定作用。

5)剛強度及重量設(shè)計。充分利用結(jié)構(gòu)仿真和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，對線源進行減重設(shè)計，在保證其剛強度的前提下，使用最少的材料。

2.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線框架是整個天線的承力部件，是天線陣面精度保證的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要從以下幾個方面予以保證。

2.2.1 承加骨架的設(shè)計

承力骨架采用整體加工的薄壁空腔結(jié)構(gòu)型式，整體加工件不僅剛度大，且避免了裝配誤差，可通過機加精度來保證天線安裝精度，從而有效保證天線陣面精度。圖2為天線框架結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計中通過增加截面高度并控制壁厚設(shè)置減輕孔等方式，既不增加重量同時又能夠有效增加結(jié)構(gòu)剛度?？蚣懿牧喜捎脧姸雀叩匿X合金材料。

圖2 天線框架

2.2.2 框架強度設(shè)計與優(yōu)化

從保證精度的角度考慮，主要采用以下設(shè)計手段同時保證天線陣面在各種工況下的剛強度設(shè)計要求。

1)優(yōu)選承力骨架的結(jié)構(gòu)型式和受力體系，并結(jié)合有限元仿真手段逐級優(yōu)化；

2)以結(jié)構(gòu)剛度最大為目標(biāo)，在重量一定的情況下保證安裝尺寸，同時綜合考慮制造性和材料獲得性，進行截面尺寸等的參數(shù)優(yōu)化，最終進一步提高骨架的剛度；

3)通過局部優(yōu)化設(shè)計，降低集中應(yīng)力，可有效降低局部破壞，尤其是疲勞損傷風(fēng)險；

4)進行減輕孔設(shè)計，可以進一步改善應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)整體強度，并減輕骨架重量；

5)采用殘余應(yīng)力消除技術(shù)，降低裝配、安裝過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與殘余變形；

6)安裝過程中采用形變檢測技術(shù)等對安裝精度進行復(fù)核檢測。

3 天線陣面力學(xué)分析

3.1 建立有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何模型建立有限元模型，薄壁結(jié)構(gòu)采用殼單元進行模擬[4]，如圖3所示。

圖3 有限元模型

結(jié)構(gòu)所使用材料如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能表

將天線框架安裝孔3個方向的自由度完全約束，分析工況包括：1)過載分析；2)模態(tài)分析；3)隨機振動分析。隨機振動試驗條件如圖4所示，其中：L1取0.3g2/Hz，L2取0.075 4g2/Hz，L3取0.033 6g2/Hz，L4取0.018 9g2/Hz；F1取107.5 Hz，F(xiàn)2取215 Hz，F(xiàn)3取322.5Hz，F(xiàn)4取430Hz，尖峰帶寬為中心頻率的±5%。

圖4 隨機振動試驗條件

3.2 分析結(jié)果

通過有限元仿真分析軟件ABAQUS對天線陣面結(jié)構(gòu)進行固有頻率、過載和隨機振動分析。過載分析結(jié)果見表2。

表2 加速度作用下天線陣面的最大變形和最大應(yīng)力

對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，并提取了主模態(tài)分析結(jié)果見表3，其中1階主模態(tài)見圖5，2階主模態(tài)見圖6。

表3 前3階主模態(tài)對應(yīng)的固有頻率

圖5 1階模態(tài)圖

圖6 2階模態(tài)圖

隨機振動分析結(jié)果見表4。

表4 隨機振動下的均方根變形及應(yīng)力最大值

根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)在2 000 Hz內(nèi)主模態(tài)均避開了激振頻率，隨機振動3σ最大變形為3 × 0.04 mm = 0.12 mm，3σ最大應(yīng)力為3 × 34.3 MPa = 102.9 MPa，安全系數(shù)約1.5，結(jié)構(gòu)剛強度均滿足設(shè)計要求。

4 天線陣面熱設(shè)計

天線陣面中射頻前端工作時發(fā)熱量較大，自然散熱無法滿足其散熱需要，綜合考慮天線陣面熱耗和熱控的可靠性要求等因素，同時考慮載機可提供液冷源，故采用干式傳導(dǎo)冷卻方式進行散熱，即模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過模塊端面?zhèn)鬟f到冷板上，經(jīng)由進入液冷板的冷卻液帶走。

4.1 建立模型

根據(jù)軟件建模以及天線陣面自身的特點，建模過程中對模塊中一些對散熱影響不大的細節(jié)進行了適當(dāng)?shù)暮喕痆5]。主要簡化內(nèi)容包括：

1)忽略了模塊與周圍空氣的對流散熱因素；

2)忽略了輻射散熱的影響；

3)忽略了所有螺釘孔；

4)各模塊的熱耗分別以面熱源的方式貼在冷板的一側(cè)，見圖7(b)所示。

模型簡化后，天線陣面單元的冷板如圖7所示。

圖7 冷板熱分析模型

56個射頻前端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱耗分布及熱邊界條件是相同的。下面以其中一個射頻前端模塊為研究對象進行熱分析。模型簡化后的射頻前端模塊如圖8所示。

圖8 射頻前端熱分析模型

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，冷卻劑類型為65號防凍液，其具體物性參數(shù)見表5。仿真計算設(shè)計流量為0.74 L/min，冷卻劑入口溫度為40 ℃。

表5 冷卻劑物性參數(shù)

4.2 分析結(jié)果

本天線陣面單元的冷板和射頻前端模塊經(jīng)專業(yè)熱分析軟件進行詳細的熱分析計算表明：

1)入口溫度為40 ℃、流量為0.74 L/min時，冷板最高溫度約為47.7 ℃，且溫度分布較為均勻。

2)安裝冷板的溫度設(shè)定為定溫度邊界，溫度為50 ℃，模塊與冷板的接觸傳熱系數(shù)取5000 W/(m2·K)，發(fā)熱元件最高溫度約為57.8 ℃，低于各元件允許的工作溫度上限，滿足設(shè)計要求。

圖9 冷板溫度分布云圖

5 天線陣面密封設(shè)計

天線陣面安裝在載機的非氣密艙，載機高低空飛行時會造成陣面設(shè)備盒體內(nèi)外氣壓差升高，致使外部潮濕、含鹽量較高的空氣逐漸滲入設(shè)備內(nèi)部，最終凝結(jié)在內(nèi)部器件和電路板上，降低材料的介電強度和絕緣性能，并使內(nèi)部元器件發(fā)生腐蝕，從而影響電性能指標(biāo)使全機不能正常工作，嚴重時會導(dǎo)致設(shè)備失效。因此天線陣面設(shè)備的密封性設(shè)計是陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一。

圖10 射頻前端溫度分布云圖

線源的密封設(shè)計應(yīng)主要考慮盒體與蓋板的接觸面和連接器與盒體的接觸面。雖然線源內(nèi)部是高頻電路，但由于盒體尺寸較大，目前沒有可靠的工藝方法實現(xiàn)盒體與蓋板、連接器與盒體之間的氣密封，而且國內(nèi)對于氣密的檢測手段也不完善，因此只能做到水密。密封防水采取的措施主要有：盒體與蓋板之間采用硅膠密封條，定位銷采用盲孔安裝，JSMP連接器與盒體采用釬錫焊接，內(nèi)部微帶板采用氣相沉積膜防護，焊點采用硅膠或氣相沉積膜保護等。

對于射頻前端，其內(nèi)部是高頻電路，對潮濕和凝露比較敏感，目前尚沒有可采用的涂覆工藝，而且內(nèi)部裝有裸芯片，因此進行氣密，并且氣密泄漏率應(yīng)不大于1 × 10-6m2/s。

6 結(jié)束語

本文針對某高頻機載天線陣面的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計

要求，對天線陣面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式和高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行了說明。通過綜合運用系統(tǒng)設(shè)計、模塊化設(shè)計、力學(xué)和熱學(xué)仿真設(shè)計等技術(shù)，結(jié)合載機平臺所提供的安裝和維修空間尺寸及其他天線設(shè)備需求，對天線陣面的尺寸精度、結(jié)構(gòu)布局、設(shè)備重量、電纜連接等進行綜合優(yōu)化設(shè)計，最終滿足了結(jié)構(gòu)的高精度設(shè)計要求，并使天線陣面的電性能和維修性等方面都得到了充分保證。

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宋 敏(1970-)，女，高級工程師，主要從事雷達總體結(jié)構(gòu)研究工作。

胡勁松(1981-)，男，高級工程師，主要從事雷達天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Structural Design of High Precision AirbornePhased Antenna

SONG Min，HU Jin-song，WU Wen-zhi，ZHANG Rong-ming

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

A high frequency airborne antenna is expatiated as an example to introduce the features and key technology of high precision antenna structural design. Antenna system composition and equipment integration method is introduced. The detachable integrated column module, Structural & thermal design of the antenna framework, and hermetical design of the antenna′s equipment are described in detail especially. The rationality of the structural design has been proved by the FEA, and the stiffness and strength can meet the design requirements.

airborne antenna; structure design; finite element analysis; thermal design; hermetical design

2016-01-23

TB123; TN959.73

A

1008-5300(2016)03-0026-05