朱麗娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

超寬帶是一種以占空比很低的沖激脈沖作為信息載體的無(wú)載波通信技術(shù)。超寬帶具有傳輸速率高、發(fā)射功率低、多極分辨率高、電磁兼容性好、系統(tǒng)安全性好及成本低等優(yōu)勢(shì)，因此隨著通信系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)超寬帶天線的需求將不斷增加[1]。Vivaldi天線作為一種典型的超寬帶天線，具有端射、工作頻帶較寬、增益較高、方向圖波束對(duì)稱(chēng)等特點(diǎn)，此外它還具有剖面低、質(zhì)量輕、易于制作、便于共形、便于和微波電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在微波和毫米波波段得到廣泛的應(yīng)用[2]。本文論述的全金屬陣列天線陣面采取了有源相控陣體制的金屬Vivaldi天線陣列，具有超寬帶、低剖面等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信等多種功能。

1 天線的結(jié)構(gòu)形式及工藝性分析

全金屬陣列天線陣面口徑尺寸約為8 460 mm(水平)×3 994 mm(垂直)，天線振子分布安裝在反射板上，反射板安裝在天線骨架上。天線陣面布局圖如圖1所示。

圖1 天線陣面布局圖

天線振子采用金屬Vivaldi結(jié)構(gòu)形式，尺寸為200 mm(寬)×405 mm(高)×8 mm(厚)，質(zhì)量要求小于1 kg，為了減重，天線振子內(nèi)部設(shè)計(jì)了大量的減重孔。工藝上要保證2個(gè)相鄰天線振子裝配后形成的輻射縫最小寬度尺寸為3.2 mm，裝配精度要控制在±0.2 mm以?xún)?nèi)，同時(shí)還要保證天線振子制造的一致性和密封防護(hù)要求。

反射板整體外形尺寸為8 460 mm(長(zhǎng))×3 994 mm(寬)×16 mm(厚)，通過(guò)螺接的方式安裝在天線骨架上，同時(shí)反射板上加工了大量的安裝接口和孔位，且精度高(形位精度±0.05 mm)，對(duì)于機(jī)械加工具有較高的要求。

2 天線陣面工藝性設(shè)計(jì)及制造

2.1 天線振子的設(shè)計(jì)及制造

本天線陣面共有672個(gè)天線振子，按42(方位)×16(俯仰)的形式排列，天線振子方位向間距為200 mm，俯仰向間距為250 mm。天線振子采用全金屬Vivaldi結(jié)構(gòu)形式，尺寸為200 mm×405 mm×8 mm。經(jīng)過(guò)電訊仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮天線振子制造、安裝要求，電訊意義上的天線振子由2個(gè)結(jié)構(gòu)意義上的天線振子裝配組成，如圖2所示。

天線振子由支撐板、安裝板、振子、聚四氟乙烯支撐塊組成，結(jié)構(gòu)尺寸為200 mm(長(zhǎng))×405 mm(寬)×32 mm(厚)，其中振子本體厚度為8 mm。振子主體采用定位銷(xiāo)進(jìn)行定位，并采用螺釘緊固在安裝板上，支撐板安裝在振子本體上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，相鄰兩個(gè)天線振子之間形成的輻射縫最小寬度尺寸為3.2 mm，同時(shí)公差要控制在±0.2 mm以?xún)?nèi)。為防止輻射縫積水造成天線陣子短路，設(shè)計(jì)時(shí)用聚四氟乙烯板填充輻射縫。圖2為天線振子在陣面上的安裝示意圖。連接器安裝在底板上，穿過(guò)底板預(yù)留的孔與振子連接，天線振子與連接器內(nèi)導(dǎo)體連接處需要進(jìn)行密封防水設(shè)計(jì)，本文采用局部灌膠的工藝方式進(jìn)行處理，同時(shí)連接器選用密封防水型連接器[3]。

圖2 天線振子結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到質(zhì)量要求，天線振子選用8 mm厚的5A06鋁板，安裝板選用20 mm厚的5A06鋁板，兩者都采用高速銑精密加工成形，精密加工方法主要包括去應(yīng)力熱處理和粗精銑，其中去應(yīng)力熱處理是去除零件加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，避免精銑后的尺寸變形。本文采用真空吸盤(pán)裝夾方式和數(shù)控精密銑削方法加工零件外形、減輕腔及安裝孔、定位孔時(shí)，應(yīng)保證定位孔的定位精度優(yōu)于±0.03 mm。結(jié)合零件材料強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)形式剛性較弱的特點(diǎn)，采用小切深、快進(jìn)給的高速切削加工技術(shù)，避免零件在加工過(guò)程中的熱變形及切削力變形。加工時(shí)除了要選用高速加工設(shè)備，同時(shí)還應(yīng)采用精密零件程序設(shè)計(jì)技術(shù)、程序仿真技術(shù)、切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)等手段來(lái)保證零件需要的加工精度。

2.2 反射板的設(shè)計(jì)與制造

反射板采用實(shí)體板的結(jié)構(gòu)形式，是天線陣面的主承力件，整個(gè)陣面由14塊反射板拼接而成，單塊反射板尺寸為1 210 mm×2 000 mm×16 mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。天線反射面上需要加工天線振子安裝接口、天線罩安裝接口、連接器接口及減重凹臺(tái)等。

圖3 天線反射板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

反射板需要在大型數(shù)控機(jī)床上整體加工成形，重點(diǎn)是保證各個(gè)安裝接口的形位精度和加工后整體平面度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。反射板工藝方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是零件加工過(guò)程的均勻加載和翻轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過(guò)程的保形，采取的技術(shù)措施主要有：設(shè)計(jì)高平面度工裝平板，采用螺釘密集壓緊方式實(shí)現(xiàn)銑削過(guò)程的均勻可靠裝夾；設(shè)計(jì)保形工裝、專(zhuān)用吊具、運(yùn)輸保形工裝，控制零件翻身、吊裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的變形；采用高速銑粗加工和精加工的方式實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力、微變形材料切削，加工過(guò)程中通過(guò)合理設(shè)置工藝裝夾位置，以及多次不同的工藝裝夾方法，實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程的穩(wěn)定，受力均勻；采用高精度墊板固定，分次切削逐漸實(shí)現(xiàn)一面高精度成型，并同時(shí)完成安裝孔加工和兩面共用測(cè)量基準(zhǔn)加工。反射板加工工藝流程如圖4所示。

圖4 反射板加工工藝流程圖

2.3 天線的裝配工藝及密封設(shè)計(jì)

為了保證天線振子之間輻射縫間距和天線振子懸臂處的剛強(qiáng)度及垂直度要求，在天線振子上增加了3個(gè)介電常數(shù)較低的聚四氟乙烯板作為支撐材料，同時(shí)兼顧振子懸臂處的密封。在天線的裝配工藝流程中，裝配順序也很重要，首先應(yīng)通過(guò)定位銷(xiāo)定位，將天線振子安裝到安裝板上，再安裝固定支撐板，然后將天線振子安裝到反射板上，其中安裝兩個(gè)相鄰天線振子時(shí)，螺釘暫不擰緊，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量間隙，保證間隙滿(mǎn)足(3.2±0.2) mm的要求，依次擰緊螺釘，直到所有天線振子安裝測(cè)量完畢，最后安裝聚四氟乙烯支撐塊，保證天線振子懸臂處的剛性。

天線振子與連接器內(nèi)導(dǎo)體連接處采用密封防水設(shè)計(jì)，防止雨水侵蝕導(dǎo)致電性能衰減，將聚四氟乙烯材料支撐板設(shè)計(jì)成膠池，用703硅橡膠灌封，灌封部位如圖2所示。703硅橡膠的特點(diǎn)是常溫固化、富有彈性、使用方便安全，并具有優(yōu)良的耐老化、防潮和粘接性能。連接器選用防水密封連接器，連接器底部有密封圈，安裝在安裝板上后，可保證連接器密封可靠，天線振子連接器和電纜連接器之間的連接采用螺紋連接方式，外表面加熱縮套管保護(hù)[4]。

2.4 天線振子輻射縫寬度精度分析與控制

主陣面天線由反射板、天線振子、連接板等裝配而成，如圖5所示，相鄰兩個(gè)天線振子之間的輻射縫寬度尺寸為3.2 mm，公差要求控制在±0.2 mm以?xún)?nèi)。

圖5 主陣面天線裝配圖

天線振子輻射縫寬度的誤差主要由以下幾個(gè)原因造成：

1)反射板上的定位孔加工誤差。

反射板上用于天線振子定位的定位銷(xiāo)孔是通過(guò)機(jī)械加工得到的，定位銷(xiāo)孔之間的距離誤差δX1應(yīng)控制在±0.03 mm以?xún)?nèi)，如圖3所示。

2)天線振子加工誤差。

天線振子由天線振子本體和安裝板組成，本體與安裝板之間通過(guò)定位銷(xiāo)定位安裝，如圖2、圖6所示。天線本體寬度方向的加工誤差δX2可控制在±0.03 mm，天線本體的2個(gè)定位銷(xiāo)孔關(guān)于天線本體寬度方向中心線之間的對(duì)稱(chēng)度δX3可控制在±0.03 mm以?xún)?nèi)。天線振子安裝板上有2組定位銷(xiāo)孔，一組(記為第一組)用于與天線振子本體與安裝板之間的定位，另一組(記為第二組)用于天線振子與槽鋁之間的定位。安裝板上第二組定位銷(xiāo)孔的對(duì)稱(chēng)線關(guān)于第一組定位銷(xiāo)孔的對(duì)稱(chēng)線的對(duì)稱(chēng)度δX4可控制在±0.03 mm以?xún)?nèi)。

圖6 天線振子和安裝板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3)天線振子裝配誤差。

天線振子裝配誤差除了天線振子本體與安裝板之間的裝配誤差，還包括天線振子安裝到反射板時(shí)的裝配誤差。由于天線振子本體與安裝板之間和天線振子與反射板之間都是通過(guò)定位銷(xiāo)定位，因此通過(guò)成熟的裝配工藝，可以使天線振子本體與安裝板之間的裝配誤差δX5控制在±0.03 mm，天線振子安裝到反射板時(shí)的裝配誤差δX6控制在±0.03 mm。

采用完全互換法解尺寸鏈時(shí)，天線振子輻射縫(由結(jié)構(gòu)意義上的2個(gè)相鄰天線振子安裝后形成)寬度的誤差δX為以上誤差的累積[5]，即：

δX=δX1+δX2±δX3±δX4+δX5+δX6=(±0.03)+(±0.03)±(±0.03)±(±0.03)+(±0.03)+(±0.03)=±0.18≤±0.2(mm)經(jīng)過(guò)誤差分解計(jì)算分析可知，天線振子輻射縫寬度的誤差約±0.18 mm，滿(mǎn)足小于±0.2 mm的指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的全金屬陣列天線裝配成功后，按照GB/T 21195—2007《移動(dòng)通信室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)天線技術(shù)條件》測(cè)試了天線的增益、天線方向圖和波瓣寬度、電壓駐波比，性能均滿(mǎn)足使用要求。該天線的成功研制可為以后相似結(jié)構(gòu)的天線加工提供參考。