安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230088

1 設(shè)計背景

隨著雷達向小型化及集成化方向發(fā)展,天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求越來越高。在一些新設(shè)計的相控陣雷達中,大量采用集成化技術(shù),通過集成多種功能的結(jié)構(gòu)來獲得高增益、高可靠性。這種高度集成化的天線性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕[1]。

對陣面天線進行集成化設(shè)計，通常先將多個波導(dǎo)單元有機集合在一起,然后將功分網(wǎng)絡(luò)和波導(dǎo)集成在一起,使功分網(wǎng)絡(luò)與波導(dǎo)成為一體化結(jié)構(gòu),形成一體化波導(dǎo)陣面天線。這種將多個波導(dǎo)單元和功分網(wǎng)絡(luò)有機集成在一起的結(jié)構(gòu),對提升天線的整體性能效果顯著。但是,當功分網(wǎng)絡(luò)與波導(dǎo)集成在一起時,功分網(wǎng)絡(luò)與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)疊加,會使一體化波導(dǎo)陣面天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,給設(shè)計和加工制造增大難度,生產(chǎn)成本難以控制。為有效控制成本,在保證一體化波導(dǎo)陣面天線各項性能指標不下降的前提下,應(yīng)用可制造性的設(shè)計理念,結(jié)合分層設(shè)計方法,對一體化波導(dǎo)陣面天線進行了分層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)分析與規(guī)劃

一體化波導(dǎo)陣面天線的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計以天線原理模型為基礎(chǔ),應(yīng)用Creo三維設(shè)計軟件強大的建模能力和靈活的剖面可視化功能[2],建立三維數(shù)字化模型。為確保所構(gòu)建的一體化波導(dǎo)陣面天線數(shù)字化模型準確可靠,提高設(shè)計效率,在工程設(shè)計前,先對天線的結(jié)構(gòu)進行全面分析,并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,進行科學合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)劃[3]。

一體化波導(dǎo)陣面天線由16×24個工作單元陣列構(gòu)成。每個獨立工作單元對應(yīng)一個功分網(wǎng)絡(luò)、一個裂縫波導(dǎo)和16個四脊方波導(dǎo)的組合體。功分網(wǎng)絡(luò)的腔體為一分六的功分結(jié)構(gòu)。裂縫波導(dǎo)由三段分隔腔體構(gòu)成,輸出側(cè)開有數(shù)行直縫,直縫連通四脊方波導(dǎo)。四脊方波導(dǎo)口就是一體化波導(dǎo)陣面天線的表面。整個一體化波導(dǎo)陣面天線的外觀如圖1所示。

▲圖1 一體化波導(dǎo)陣面天線外觀

通過對一體化波導(dǎo)陣面天線的結(jié)構(gòu)進行分析,發(fā)現(xiàn)一體化波導(dǎo)陣面天線的每個工作單元結(jié)構(gòu)相同,只需針對一個工作單元的結(jié)構(gòu)進行研究,就能夠掌握整個一體化波導(dǎo)陣面天線的結(jié)構(gòu)[4-5]。因此,首先應(yīng)用Creo軟件建立工作單元數(shù)字模型,然后應(yīng)用軟件陣列功能構(gòu)建完整的一體化波導(dǎo)陣面天線工作單元模型。一體化波導(dǎo)陣面天線工作單元模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 一體化波導(dǎo)陣面天線工作單元模型結(jié)構(gòu)

圖2清晰展現(xiàn)了一體化波導(dǎo)陣面天線的功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu),以及腔體斜面和臺階等特殊結(jié)構(gòu)，這些特殊結(jié)構(gòu)是影響一體化波導(dǎo)陣面天線分層結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造的重要因素[6]。

3 分層結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對一體化波導(dǎo)陣面天線數(shù)字化模型進行測量,得到工作單元間距為25.78 mm,腔體寬為22.78 mm,腔體壁厚為1.5 mm。腔體具有尺寸小、精度高的特點,但加工困難。處于天線內(nèi)部的功分網(wǎng)絡(luò)和裂縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用通常的方法難以加工。設(shè)計分層結(jié)構(gòu)時，要充分考慮一體化波導(dǎo)陣面天線中功分網(wǎng)絡(luò)和裂縫波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)特征,將難以加工的內(nèi)部腔體變?yōu)槿菀准庸さ某ㄩ_式結(jié)構(gòu)。通過若干分割面,將一體化結(jié)構(gòu)分割為幾個獨立的零件,分割出的零件，其結(jié)構(gòu)都為敞開式,使加工變得容易[7]。敞開式零件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 敞開式零件結(jié)構(gòu)

確定分割面位置是分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。借助Creo三維設(shè)計軟件的可視化功能,以圖4所示一體化波導(dǎo)陣面剖視圖為參照,作平行于陣面表面的不同分割面,得到的分割面結(jié)構(gòu)所在的零件需滿足可制造性要求[8]。結(jié)合圖5所示一體化波導(dǎo)陣面天線分層圖,查找最有利于將天線內(nèi)部腔體變?yōu)槌ㄩ_式結(jié)構(gòu)的分割面,將特殊結(jié)構(gòu)點所處的平面作為重點分割面。在確定好重點分割面后,分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要分割界面就可以基本確定,然后根據(jù)需要設(shè)定其它分割面。經(jīng)過優(yōu)化,最終確定四個分割面,即將一體化波導(dǎo)陣面天線分割為五個獨立零件。這種分層結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足可制造性要求,可以兼顧一體化波導(dǎo)陣面天線所需要的尺寸精度要求,加工的零件數(shù)量最少,是比較科學合理的。

▲圖4 一體化波導(dǎo)陣面天線剖視圖▲圖5 一體化波導(dǎo)陣面天線分層圖

通過分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，各零件結(jié)構(gòu)都為敞開式,非常有利于加工制造,成本也能夠有效控制。零件經(jīng)過精加工后,通過真空釬焊一次焊接成形，重新組成完整的一體化波導(dǎo)陣面天線[9]。采用由整體到零件的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，大幅降低了制造難度,確保了結(jié)構(gòu)建模的準確性,改善了零件的可制造性[10],設(shè)計效率大為提高,零件加工精度得到保證。經(jīng)過測試，一體化波導(dǎo)陣面天線的性能完全滿足指標要求。

4 結(jié)束語

多空間結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計加工一般采用模型鑄造、熔模鑄造或三維打印等,對表面粗糙度和尺寸精度要求比較嚴格的零件,常規(guī)加工方法無法滿足要求。采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,應(yīng)用Creo三維設(shè)計軟件進行建模,以可制造性為設(shè)計理念,能夠?qū)崿F(xiàn)一般條件下難以完成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)零件的加工,大幅降低加工制造成本。筆者進行了一體化波導(dǎo)陣面天線的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以解決空間結(jié)構(gòu)零件加工難的問題,有助于一體化波導(dǎo)陣面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計和可制造性技術(shù)的進一步發(fā)展。