陳應(yīng)春,馮 喆,宋曉斐,何 軍
(1. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司, 江蘇 南京 211100; 2. 南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)
目前軍隊和地方氣象局現(xiàn)役天氣雷達主要采用機械掃描天線。該天氣雷達僅有單個波束,完成一次空域探測通常需要8 min,對于雷暴、下?lián)舯┝?、風(fēng)切變等危險天氣,因其尺寸小、變化速度快、導(dǎo)致無法及時獲得危險天氣的精細化三維結(jié)構(gòu),所以影響對危險天氣的識別和監(jiān)測預(yù)警。
相控陣體制雷達經(jīng)過50年的發(fā)展,已經(jīng)從無源相控陣發(fā)展到有源相控陣,又發(fā)展到數(shù)字陣。它采用電的方式控制雷達波束的指向變化來進行掃描,這種方式被稱為電掃描,它比機械掃描更優(yōu)越[1]。另外相控陣?yán)走_容易實現(xiàn)數(shù)字波束形成,與電子計算機相配合,能同時搜索跟蹤不同方向,不同高度的多批目標(biāo)。
有源相控陣?yán)走_天線雖然功能全面,戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,但造價很高,高昂的價格限制了該類型雷達天線的應(yīng)用。目前,世界各國研發(fā)的有源相控陣?yán)走_天線更多的是在總體成本和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之間尋找平衡[2],在資金有限的條件下,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及組件高度集成化、通用化等降低總體成本[3]。民品市場競爭激烈,能否設(shè)計出高性能、低成本的有源相控陣天線關(guān)系到企業(yè)的生存發(fā)展,更關(guān)系到有源相控陣天線在民品市場中的應(yīng)用與推廣。
本文分析了民用氣象雷達天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,設(shè)計了一種性價比更高的有源相控陣天線結(jié)構(gòu),很好地滿足了氣象雷達系統(tǒng)的需求。
根據(jù)電訊總體的要求,天線陣面主要包括:296根裂縫波導(dǎo)、4個反副瓣天線、邊側(cè)高頻箱、天線骨架、配重塊等。天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考慮以下幾個方面:
1)在陣面大小不變的情況下,需要提高天線增益,提升天線威力,增大天線探測距離,因此需要更低的損耗要求。
2)由于高頻箱掛在陣面邊側(cè),形成懸臂梁結(jié)構(gòu),使得天線陣面受力狀況很差,而天線陣面的平面度(峰值)要求≤±1.5 mm,因此天線骨架需要設(shè)計成高剛度的結(jié)構(gòu)。
3)該天線陣面包含296根裂縫波導(dǎo),相互位置關(guān)系為:長度方向?qū)R,誤差ΔX≤±0.1 mm;寬度方向間距29 mm,誤差ΔY≤±0.1 mm。
4)該天線陣面包含37個大尺寸的8通道T/R組件,如何將37個T/R組件裝入邊側(cè)高頻箱,同時又能兼顧電纜走線,對高頻箱內(nèi)部布局提出了很高的要求。
5)由于電纜布線路徑影響天線陣面的整體外觀和電纜長短,因此需要通過三維布線準(zhǔn)確地、直觀地模擬出電纜具體走線路徑和電纜長度。
6)大型地面天線的吊裝方式關(guān)系到天線陣面的運輸和架設(shè),其吊點的設(shè)置影響天線陣面具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
7)樣機合格后,可能大規(guī)模推廣,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需要優(yōu)先選用成熟且簡單的生產(chǎn)工藝,壓縮零部件和原材料的品種和規(guī)格,節(jié)省生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)周期[4]。
某有源相控陣氣象雷達天線為新一代C波段氣象雷達天線,它是為滿足首都機場天氣實時預(yù)報需求而新研發(fā)的相控陣?yán)走_天線,其口徑為8.6 m × 8.6 m,由296根波導(dǎo)縫隙天線組成,為了縮短波導(dǎo)縫隙天線到高頻箱的傳輸線長度,需要將高頻箱掛在陣面邊側(cè),高頻箱內(nèi)部設(shè)備多,總質(zhì)量近1 t,而天線陣面的平面度要求又高,因此天線陣面總體布局很關(guān)鍵。通過有限元仿真優(yōu)化設(shè)計,在天線陣面中部增加桁架結(jié)構(gòu),兩側(cè)增加10個撐桿,以減小天線陣面變形,同時通過合理的陣面分塊方便吊裝和運輸,如圖1所示。天線陣面主要包括裂縫波導(dǎo)天線、副天線、天線骨架、邊側(cè)高頻箱、中間高頻箱、配重塊等。天線骨架作為整個天線陣面的主要承力部件由天線背架、天線桁架和撐桿組成。
圖1 天線陣面結(jié)構(gòu)布局示意圖
傳統(tǒng)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)布局通常將高頻箱安裝在陣面中間位置,而且做得非常大,導(dǎo)致高頻箱成本極高。另外,拉長了波導(dǎo)縫隙天線到高頻箱的傳輸線長度,不僅增加了損耗,而且成本也提高不少,傳輸線越多,成本越高。與傳統(tǒng)相控陣結(jié)構(gòu)布局相比,該天線陣面結(jié)構(gòu)布局采用將高頻箱掛在天線陣面邊側(cè),縮短了296根射頻傳輸線的長度,降低了傳輸線的成本,同時將高頻箱分成相同的4塊,優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低了高頻箱的成本。但是該結(jié)構(gòu)形式需要增加配重塊來平衡天線重心,導(dǎo)致天線總重量的增加。
本文根據(jù)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,針對結(jié)構(gòu)設(shè)計難點,僅對天線骨架、邊側(cè)高頻箱、裂縫波導(dǎo)天線、三維布線和陣面吊裝進行了敘述。
天線骨架作為整個天線陣面的主要承力部件,既要保證天線陣面在使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)不被破壞,又要確保天線陣面能夠保持高精度的電訊性能[5]。天線骨架由天線背架、天線桁架和撐桿組成,如圖2所示。天線背架通過精加工其安裝面保證裂縫波導(dǎo)的安裝位置精度;天線桁架采用不同規(guī)格的鋁管焊接成空間結(jié)構(gòu),質(zhì)量輕、剛度高,它連接天線座并支撐天線背架;撐桿采用鋼管和鋼接頭焊接而成,它支撐天線背架兩側(cè),克服邊側(cè)高頻箱重力帶來的陣面變形,同時在現(xiàn)場總裝時可以施加預(yù)應(yīng)力,作為調(diào)節(jié)天線陣面平面度的一種手段。
圖2 天線骨架示意圖
3.1.1 天線背架
天線背架是天線骨架的重要組成部分,其正面安裝裂縫波導(dǎo)天線,背面的兩側(cè)安裝邊側(cè)高頻箱和配重塊,同時背面的中間位置與天線桁架相連,因此必須具有較強的抗變形能力和在各種環(huán)境下的生存能力。天線背架的外形尺寸為8 270 mm × 8 584 mm(寬×高),為了滿足天線結(jié)構(gòu)的加工和運輸要求,將天線背架在高度方向上均分為4塊。單塊框架的尺寸為8 270 mm × 2 146 mm(寬×高),由工字鋁、槽鋁和連接板拼焊而成,具有較輕的質(zhì)量和良好的剛強度。焊接完成后對安裝面進行機加工,保證天線裝配的精度要求。塊與塊之間采用定位銷和螺栓組合連接。
3.1.2 天線桁架
天線桁架是天線骨架的重要部件,用來連接天線背架和天線座,加強天線陣面剛度,保證天線陣面精度,尺寸約為8.3 m(高)× 2.8 m(寬)× 0.6 m(厚),采用不同管徑的鋁管整體焊接而成,通過有限元力學(xué)仿真分析,在部件尺寸、幾何形狀和拓撲結(jié)構(gòu)等方面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,使天線桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛強度高、成本低。
3.1.3 撐桿
撐桿是天線骨架的關(guān)鍵部件,它能夠調(diào)節(jié)天線陣面平面度,支撐天線背架,保證天線陣面整體剛度。撐桿采用鋼管和鋼接頭焊接而成,鋼管直徑60 mm,壁厚3 mm,內(nèi)置螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)可以調(diào)節(jié)撐桿長度。在天線陣面總裝時,根據(jù)有限元力學(xué)仿真數(shù)據(jù)分別調(diào)節(jié)10根撐桿長度,施加預(yù)應(yīng)力,克服邊側(cè)高頻箱重力影響,保證天線陣面在60°工作狀態(tài)下平面度≤±1.5 mm。
在天線陣面規(guī)模不變的情況下,為了提高天線增益,提升天線威力,增大天線作用距離,將高頻箱掛在天線背架的邊側(cè),又稱為邊側(cè)高頻箱。它極大地縮短了傳輸線長度,減小天線陣面的損耗,同時降低了成本,不過由于掛在陣面邊側(cè),考慮到重量和穩(wěn)定性等因素,其尺寸不能做大。邊側(cè)高頻箱內(nèi)部需要安裝大量器件,其中T/R組件數(shù)量多(37個),尺寸大,給高頻箱的布局帶來不小的困難,另外還需要考慮T/R組件的散熱和維護,因此邊側(cè)高頻箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計很關(guān)鍵。
3.2.1 邊側(cè)高頻箱布局
與天線背架的分塊方式相似,邊側(cè)高頻箱也分為4個尺寸相同的箱體,便于掛接在天線背架上。單個高頻箱的外形尺寸為2 120 mm × 570 mm × 500 mm。根據(jù)T/R組件的尺寸和數(shù)量,高頻箱內(nèi)部雙層布局,最多可以安裝10個T/R組件,每層5個,2 層T/R組件之間用于電纜走線。
3.2.2 邊側(cè)高頻箱結(jié)構(gòu)設(shè)計
邊側(cè)高頻箱采用鋁板加工然后拼裝而成,其內(nèi)部均分成5個格檔,每個格檔內(nèi)可以安裝2個T/R組件(T/R組件采用盲插方式進行安裝),2個T/R組件之間用于電纜走線,電纜捆扎在扎線板上。高頻箱8個角上都有吊耳安裝接口,用于安裝吊耳,便于高頻箱吊裝。如圖3所示。
圖3 邊側(cè)高頻箱正面示意圖
采用強迫風(fēng)冷方式進行散熱,2 層T/R組件共用風(fēng)道,風(fēng)道與壁板一體化設(shè)計,減輕質(zhì)量,保證剛度;風(fēng)道中安裝過線管,用于電纜走線,防止雨水進入高頻箱,如圖4所示。T/R組件采用盲插對接,在保證可靠連接的同時,維修性大幅提高。
圖4 邊側(cè)高頻箱背面示意圖
裂縫波導(dǎo)天線由裂縫波導(dǎo)、同軸變換、負載、波導(dǎo)托架和防護罩等組成。
天線陣面由296根裂縫波導(dǎo)天線組成,相互位置關(guān)系要求苛刻(長度方向?qū)R,誤差ΔX≤±0.1 mm,寬度方向間距29 mm,誤差ΔY≤±0.1 mm),而裂縫波導(dǎo)的長度很長(約8.6 m),對溫差變化敏感,由溫差引起的長度伸縮量為:
ΔL=αLΔT
(1)
式中:α為線膨脹系數(shù);L為波導(dǎo)長度;ΔT為溫差。
從材料手冊中查得鋁材的線膨脹系數(shù)約為23.2×10-6m/℃,江蘇境內(nèi)冬夏溫差取35 ℃,計算得出裂縫波導(dǎo)長度伸縮量ΔL=23.2 × 10-6× 8.6 × 35 ≈ 7 mm。
296根裂縫波導(dǎo)天線在陣面中的相互位置關(guān)系直接影響天線陣面的整體電性能指標(biāo),對后期的電訊調(diào)試和相位補償都有很大影響,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要保證296根裂縫波導(dǎo)天線的位置精度,同時又要避免由于裂縫波導(dǎo)伸縮引起的裝配干涉問題。
裂縫波導(dǎo)上膠接10個托架,整體安裝在天線背架上,每個托架上有一個定位銷,在與之相配的天線背架上起始位置開定位銷孔,保證296根裂縫波導(dǎo)天線在長度方向上對齊;在天線背架上其余9個對應(yīng)位置開定位腰孔,保證裂縫波導(dǎo)天線在寬度方向上定位,長度方向上釋放約束,避免由于裂縫波導(dǎo)伸縮引起無法裝配的問題。
三維布線技術(shù)是根據(jù)電氣接線圖和三維結(jié)構(gòu)模型,使用三維設(shè)計軟件進行空間立體線纜布設(shè)的技術(shù),能很好地解決傳統(tǒng)二維布線在準(zhǔn)確性,直觀性、快捷性等方面的問題[6],在很多產(chǎn)品設(shè)計中,均有應(yīng)用。本天線陣面中高頻箱內(nèi)部布線及外部布線關(guān)系到射頻電纜長短和天線陣面的整體美觀性,因此對邊側(cè)高頻箱到裂縫波導(dǎo)天線這一段射頻電纜進行三維布線具有重要意義。
3.4.1 邊側(cè)高頻箱內(nèi)部布線
監(jiān)測1分8功分器與T/R組件盲插連接,然后通過射頻電纜與裂縫波導(dǎo)天線連接,其箱內(nèi)布線指監(jiān)測1分8功分器到高頻箱出線口這一段射頻電纜的布線,如圖5所示。來自上層監(jiān)測1分8功分器的電纜穿過過線管,從側(cè)門出線;來自下層監(jiān)測1分8功分器的電纜直接從高頻箱底部出線。高頻箱內(nèi)部分層布線,路徑清晰,互不干擾,便于安裝。
圖5 邊側(cè)高頻箱內(nèi)部布線示意圖
3.4.2 邊側(cè)高頻箱外部布線
邊側(cè)高頻箱底部到裂縫波導(dǎo)天線距離只有150 mm左右,還需要安裝充氣管,布線空間狹小,布線相對復(fù)雜,如圖6所示。
圖6 邊側(cè)高頻箱外部布線示意圖
采用分層布線方式,合理利用空間,將充氣管、下層電纜和上層電纜分開布置,層次清晰,外形美觀,便于安裝與檢修。
大型天線陣面的吊裝方式關(guān)系到其運輸和架設(shè)是否方便,吊點的設(shè)置也影響到天線陣面具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。該天線陣面吊裝包括子陣吊裝和整體吊裝。
3.5.1 子陣吊裝
根據(jù)天線背架的分塊方式,將天線陣面分為4塊,又稱為1/4子陣,每個子陣單獨吊裝。吊耳固定在天線背架的節(jié)點處,從2 根裂縫波導(dǎo)天線之間的縫隙中穿出來,無需拆裝裂縫波導(dǎo)天線。如圖7所示。
圖7 1/4子陣吊裝示意圖
3.5.2 整體吊裝
為了避免高空作業(yè),保障工人的人身安全,同時提高裝配效率,縮短裝配周期,天線陣面在地面進行拼裝。拼裝完成后,在天線桁架上下兩端安裝吊耳,采用2 臺吊機整體吊裝到天線座上。如圖8所示。
圖8 天線陣面整體吊裝
有源相控陣?yán)走_在氣象雷達領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越
廣闊,應(yīng)根據(jù)需要在戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和成本之間選擇最佳的規(guī)模和最適合的結(jié)構(gòu)形式。有源相控陣氣象雷達的成本還可以進一步的降低,總體布局優(yōu)化、內(nèi)部組件模塊化,內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成化都是降低成本的有效途徑。本文設(shè)計的有源相控陣氣象雷達結(jié)構(gòu),可為類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種思路,有一定的借鑒意義。