李治清，王海濤，顧葉青

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

有源相控陣天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其高功率、高效率的本質(zhì)特征為大幅提升雷達(dá)工作距離提供了最有效的技術(shù)途經(jīng)，已成為當(dāng)今相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的主流方向[1–2]。天線單元組合作為有源相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分，既為陣列天線提供了結(jié)構(gòu)安裝平臺(tái)，也可通過過渡層將天線單元的端口位置收攏，與后端T/R組件互聯(lián)[2]。

有源相控陣?yán)走_(dá)功率的進(jìn)一步提高及陣面厚度尺寸的進(jìn)一步壓縮，對(duì)天線單元組合良好的散熱能力和輕薄化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求[3–5]。

目前，對(duì)天線單元組合的結(jié)構(gòu)研究主要集中在低剖面天線，通過天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)厚度尺寸的壓縮。對(duì)于過渡層，文獻(xiàn)[6]提出用垂直于天線反射面的印制電路板替代線纜組件實(shí)現(xiàn)過渡層功能。該方案雖然降低了成本，但對(duì)接口位置約束較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)減薄并無(wú)幫助，在實(shí)際工程應(yīng)用中過渡層仍多通過電纜組件繞線方式實(shí)現(xiàn)[6–8]。在熱控研究方面，文獻(xiàn)[3]提出了熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱并重的復(fù)合式熱控方式，但由于過渡層中電纜缺少散熱路徑，在大功率工作的情況下依靠風(fēng)冷難以滿足熱控需求。

針對(duì)當(dāng)前雷達(dá)陣面對(duì)天線單元組合輕薄化、強(qiáng)散熱能力的需求，本文提出了一種用水平印制電路板替代線纜進(jìn)行接口變化的輕薄化天線單元組合，與常規(guī)天線單元組合相比，其厚度可減少約70%，質(zhì)量可降低約40%，且具有良好的散熱能力。

1 結(jié)構(gòu)布局與優(yōu)勢(shì)

1.1 天線單元組合結(jié)構(gòu)布局

天線單元組合一般由陣列天線、反射面板和過渡層組成，如圖1所示。

圖1 天線單元組合結(jié)構(gòu)示意圖

陣列天線的作用是將T/R組件產(chǎn)生的導(dǎo)波場(chǎng)轉(zhuǎn)換成空間輻射場(chǎng)，并接收目標(biāo)反射的空間回波，將回波能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波場(chǎng)，通過過渡層的變換網(wǎng)絡(luò)饋送至T/R組件[2]。

反射面板的作用是為天線單元和過渡層提供可靠的物理接口和良好的結(jié)構(gòu)剛度。

過渡層又名天饋線網(wǎng)絡(luò)，由連接器、變換網(wǎng)絡(luò)與支撐結(jié)構(gòu)件組成。其作用是傳遞陣列天線的信號(hào)并進(jìn)行端口變換，將組件側(cè)端口連接器位置收攏調(diào)整到與T/R組件的端口一致，從而實(shí)現(xiàn)T/R組件與單元組合的直接互聯(lián)。圖2為線纜過渡層與電纜組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 過渡層與電纜組件結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)天線單元組合的線纜過渡層通過電纜繞線實(shí)現(xiàn)單元接口到組件接口的變換。雖然結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，但厚度和質(zhì)量難以控制，而且自然散熱條件較差，目前雷達(dá)中多采用風(fēng)冷方式對(duì)其散熱，在高功率工作情況下，熱聚集問題較為嚴(yán)重。

為實(shí)現(xiàn)天線單元組合的輕薄化和良好的散熱性，本文設(shè)計(jì)了一種輕薄化天線單元組合，通過以印制電路板替代線纜組件實(shí)現(xiàn)單元到T/R組件的接口變換。該天線單元組合主要包括陣列天線、金屬反射面板以及由4塊印制電路板和安裝有連接器的金屬散熱板組成的印制電路板過渡層，如圖3所示。

圖3 輕薄化天線單元組合結(jié)構(gòu)示意圖

該天線單元組合固定安裝在帶有冷卻流道的結(jié)構(gòu)面板上，與后端T/R組件進(jìn)行盲插互聯(lián)。印制電路板過渡層上的金屬散熱板與流道面板大面積貼合，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)間接液體冷卻[9]。

1.2 新型天線單元組合的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)線纜繞線方案的天線單元組合相比，本文提出的印制電路板繞線方案的天線單元組合在散熱性能、質(zhì)量、厚度、成本等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。下面將重點(diǎn)對(duì)這2種天線單元組合的散熱方式、厚度、質(zhì)量、成本進(jìn)行分析與對(duì)比。

1.2.1 散熱性能比較

這2種天線單元組合的散熱手段一致，都是誘導(dǎo)熱源區(qū)域的熱能流向低溫區(qū)。天線單元組合的主要熱源為過渡層上的組件側(cè)連接器和過渡層散熱通道與陣列天線的連接器。天線單元組合位于天線陣面前端，因此其外側(cè)一般由天線罩保護(hù)。天線罩與天線單元組合之間為空氣或低介電常數(shù)的填充泡沫，空氣與填充泡沫的熱阻較大，對(duì)天線單元組合來(lái)說(shuō)，向陣面外側(cè)傳熱的效率較低，因此主要考慮向陣面內(nèi)傳熱[4,10–11]。

傳熱過程可用以下公式表示：

式中：?tτ為時(shí)間τ內(nèi)的平均溫升，?C；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·?C)；F為散熱面積，m2；Q為熱功耗，W；τ為時(shí)間，s，當(dāng)τ趨于無(wú)窮時(shí)即為平衡狀態(tài)，此時(shí)平衡狀態(tài)下的平均溫升?t=。如將Q作為熱流，作為熱阻R，則?t=QR。由此可知，當(dāng)天線單元組合的發(fā)熱量一定時(shí)，為增強(qiáng)散熱效果，需要降低熱阻R。

對(duì)于線纜繞線的傳統(tǒng)天線單元組合，主要散熱途徑為通過風(fēng)冷方式進(jìn)行的熱對(duì)流散熱以及通過結(jié)構(gòu)件與后端冷板接觸進(jìn)行的熱傳導(dǎo)散熱。但作為發(fā)熱元件的陣列天線與過渡層之間僅通過連接器插件連接，接觸面積小，熱傳導(dǎo)難以發(fā)揮效用。同時(shí)，在傳統(tǒng)的過渡層中柱狀、板條狀支撐結(jié)構(gòu)較多，影響電纜對(duì)流換熱。因此，傳統(tǒng)天線單元組合的散熱能力較差。

對(duì)于印制電路板繞線的單元組合，散熱途徑主要為與后端冷板貼合進(jìn)行的熱傳導(dǎo)散熱。熱傳導(dǎo)散熱的公式如下：

式中：RL為熱阻；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；FL為導(dǎo)熱截面積；δ為導(dǎo)熱路徑長(zhǎng)度[11]。

對(duì)于印制電路板繞線方案的天線單元組合，印制電路板過渡層厚度較薄，從單元連接器至過渡層上連接器的導(dǎo)熱路徑δ較小；天線單元組合空間利用率高，各發(fā)熱元器件在空間上緊耦合，導(dǎo)熱截面積與天線單元組合幅面基本一致，遠(yuǎn)大于線纜繞線方案中的電纜導(dǎo)體截面積；印制電路板過渡層上的金屬散熱板與后端面板都為金屬材料，具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)。綜上所述，采用熱傳導(dǎo)散熱的印制電路板天線單元組合的熱阻較小，具有良好的散熱能力。

1.2.2 厚度比較

天線單元組合的厚度主要由過渡層（即天線振子連接器到組件側(cè)連接器的互聯(lián)方式）決定。線纜繞線方案的天線單元組合通過電連接器配合方式實(shí)現(xiàn)天線振子與過渡層電纜的互聯(lián)。受制于連接的方式，過渡層的厚度取決于線纜的拐彎半徑和電連接器的高度。對(duì)于S波段天線單元組合，過渡層厚度一般大于40 mm，總厚度大于45 mm，如圖4（a）所示。印制電路板繞線方案的天線單元組合采用插針焊接的方式實(shí)現(xiàn)天線振子連接器、組件側(cè)連接器與過渡層印制電路板的互聯(lián)。得益于印制電路板能夠在平面二維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)接口位置變換，對(duì)于S波段天線單元組合，過渡層厚度不大于10 mm，總厚度可控制在15 mm以內(nèi)，如圖4（b）所示。

圖4 厚度與連接方式對(duì)比

1.2.3 質(zhì)量比較

由于結(jié)構(gòu)件厚度變薄，印制電路板又比電纜組件輕，因此印制電路板繞線方案的天線單元組合在質(zhì)量上同樣存在優(yōu)勢(shì)。經(jīng)測(cè)算，與傳統(tǒng)線纜繞線方案的天線單元組合的厚度相比，其厚度減薄約70%，質(zhì)量降低約40%。

1.2.4 成本比較

在成本方面，由于結(jié)構(gòu)厚度變薄，金屬結(jié)構(gòu)件減材加工量較小，因此印制電路板繞線方案的天線單元組合的加工成本較低。另外，在大批量生產(chǎn)的情況下，印制電路板的成本低于電纜組件。同時(shí)印制電路板繞線方案的天線單元組合可采用機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接與裝配。因此，與手工裝配的線纜繞線方案的天線單元組合相比，印制電路板繞線方案的天線單元組合在成本和效率方面均具有優(yōu)勢(shì)。將印制電路板繞線方案的天線單元組合與相同頻段、相同通道數(shù)的線纜繞線方案的天線單元組合進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果見表1。

表1 2種方案的天線單元組合指標(biāo)對(duì)照

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)天線單元組合的輕薄化并可與冷板大面積貼合散熱，將根據(jù)該天線單元組合的各組成部分開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是過渡層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕薄化天線單元組合安裝有8行8列共64個(gè)天線振子，每個(gè)天線振子由振子結(jié)構(gòu)件和玻珠射頻連接器組成。天線振子按陣列排布，安裝在反射面板上組成陣列天線。每個(gè)天線振子的射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體與過渡層中的印制電路板焊接，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的聯(lián)通。

振子結(jié)構(gòu)件為金屬兔耳結(jié)構(gòu)，采用鋁材機(jī)加工成型。為保證其電性能，要求將振子的外形尺寸公差控制在±0.2范圍內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)振子結(jié)構(gòu)件與連接器的焊接，在結(jié)構(gòu)件表面鍍錫，以獲得可焊接性能。同時(shí)，表面鍍錫還增強(qiáng)天線振子的環(huán)境防護(hù)性。

2.2 反射面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反射面板由鋁板機(jī)加工成型，為陣列天線和過渡層提供安裝接口。反射面需保證良好的平面度，整板平面度（均方根）應(yīng)控制在0.2 mm以內(nèi)；在反射面板的單元一側(cè)加工陣列的振子單元槽，單元槽之間的相對(duì)距離為重要尺寸，需嚴(yán)格控制。同時(shí)單元槽的尺寸與單元振子的法蘭尺寸匹配，以保證單元安裝后的相對(duì)位置精度。同時(shí)在反射面邊緣開槽，為在單元組合組陣后安裝搭接條提供接口，以實(shí)現(xiàn)分塊單元組合間的電連續(xù)。

在反射面板的組件側(cè)加工過渡層的安裝、定位接口。為了保證過渡層與反射面板的良好貼合，要盡可能密集地在過渡層上安裝固定螺釘。

2.3 過渡層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每個(gè)天線單元組合對(duì)應(yīng)4個(gè)16點(diǎn)T/R組件，每個(gè)T/R組件通過一塊印制電路板過渡層模塊與16個(gè)天線振子互聯(lián)。每個(gè)過渡層模塊由16個(gè)盲插A（Blind Mate A, BMA）射頻連接器、散熱結(jié)構(gòu)板、印制電路板、固定螺套和緊固件組成，如圖5所示。其中散熱結(jié)構(gòu)板厚6 mm，印制電路板厚2.2 mm。過渡層的主體部分厚8.2 mm，與線纜過渡層40～45 mm的厚度尺寸相比具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 印制電路板過渡層結(jié)構(gòu)示意圖

印制電路板上加工有與T/R組件端口位置對(duì)應(yīng)的焊盤，用于與BMA射頻連接器的內(nèi)導(dǎo)體焊接，也加工有與陣列天線端口位置對(duì)應(yīng)的焊盤，用于與射頻玻珠連接器的內(nèi)導(dǎo)體焊接。在前期結(jié)構(gòu)排布時(shí)，2個(gè)端口必須錯(cuò)位，不能重疊，否則后續(xù)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)印制電路板與散熱結(jié)構(gòu)板的貼合，可采用大面積焊接或螺接2種方案。由于大面積焊接工藝相對(duì)復(fù)雜，且后續(xù)維修性較差，因此優(yōu)選螺接固定。在印制電路板背面，除預(yù)留過渡層安裝緊固件過孔外，還需加工沉頭孔來(lái)放置螺套，通過螺套與散熱結(jié)構(gòu)板固定。

考慮到印制電路板與散熱結(jié)構(gòu)板之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度變化時(shí)印制電路板存在熱應(yīng)力，因此在印制電路板上開槽，以釋放熱應(yīng)力。

散熱結(jié)構(gòu)板為金屬材質(zhì)，散熱面的平面度較高，能與冷板良好貼合，具有較好的導(dǎo)熱性，如圖6所示。

圖6 散熱結(jié)構(gòu)板

加工過渡層時(shí)，首先通過螺套將印制電路板與散熱結(jié)構(gòu)板固定；再將BMA射頻連接器通過法蘭固定在散熱結(jié)構(gòu)板上；最后將BMA射頻連接器的內(nèi)導(dǎo)體焊接固定在印制電路板上，如圖7所示。

圖7 過渡層安裝示意圖

2.4 工藝實(shí)現(xiàn)過程

天線振子、反射面板和4個(gè)過渡層模塊加工完成后進(jìn)入組裝工序。首先將過渡層模塊固定在反射面板上，兩者之間通過定位銷定位，以保證精度；隨后在反射面板上安裝64個(gè)天線振子，天線振子的玻珠連接器內(nèi)導(dǎo)體穿過過渡層的印制電路板焊盤；最后在印制電路板上焊接天線振子上的玻珠內(nèi)導(dǎo)體。

該輕薄化天線單元組合的裝配過程可使用自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)，通過自動(dòng)化設(shè)備完成緊固件緊固、焊點(diǎn)焊接等工序，提升了裝配效率，其裝配順序如圖8所示。

圖8 輕薄化天線單元組合的裝配順序

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

完成天線單元組合加工后，對(duì)該單元組合的電性能、散熱性能、環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 力學(xué)試驗(yàn)

按GJB 360B—2009方法214、條件1類B開展隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，分3個(gè)方向，每個(gè)方向1 h，加速度譜密度為4(m/s2)2/Hz，加速度總均方根為75.6 m/s2。

按GJB 360B—2009方法213、條件G開展沖擊試驗(yàn)，分3個(gè)方向，每個(gè)方向3次，沖擊峰值為50g，脈沖持續(xù)時(shí)間為11 ms，波形為后峰鋸齒，速度為2.68 m/s。沖擊、振動(dòng)后該天線單元組合的電性能測(cè)試合格。

3.2 氣候試驗(yàn)

分2個(gè)階段對(duì)該天線單元組合開展溫度沖擊試驗(yàn)。第1階段：試驗(yàn)溫度為-55?C～+105?C，循環(huán)100次，在極限溫度下，試驗(yàn)各保持1 h；第2階段：試驗(yàn)溫度為-55?C～+125?C，循環(huán)100次，在極限溫度下，試驗(yàn)各保持1 h。

考慮到焊點(diǎn)焊錫與印制電路板的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度沖擊條件下，連接器焊點(diǎn)會(huì)受力。為驗(yàn)證該單元組合天線振子連接器的焊接強(qiáng)度，對(duì)溫度沖擊試驗(yàn)前后的焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)照觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度沖擊試驗(yàn)后該天線單元組合的電性能測(cè)試合格，所有焊點(diǎn)形態(tài)良好，焊錫無(wú)剝離、開裂等不良現(xiàn)象。

3.3 散熱性能試驗(yàn)

將該天線單元組合安裝在流道面板上，流道面板的供液溫度為35?C。在25?C室溫環(huán)境中，對(duì)64通道發(fā)射信號(hào)，峰值功率為250 W，占空比為0.3。工作30 min后，通過溫度傳感器測(cè)量冷板、天線振子和反射面板的溫度并計(jì)算溫升情況，結(jié)果見表2。

表2 單元組合溫度變化情況?C

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，除與冷板貼合的過渡層區(qū)域不方便測(cè)溫外，單元組合的最大溫升出現(xiàn)在邊緣區(qū)域的反射面板上，該位置距離冷卻流道位置也較遠(yuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。該天線單元組合的最大溫升約為8.5?C，天線振子單元的表面溫度低于41?C，遠(yuǎn)小于天線振子連接器的耐受值125?C。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就天線單元組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，通過以印制電路板替代線纜進(jìn)行接口變化，提升空間利用率，實(shí)現(xiàn)了輕薄化和散熱性能的提升。與現(xiàn)有文獻(xiàn)提及的天線單元組合相比，其結(jié)構(gòu)形式具有創(chuàng)新性，對(duì)有源相控陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值，為天線單元組合的輕薄化、大功率狀態(tài)下散熱性能的提升設(shè)計(jì)提供了思路。

受制于當(dāng)前印制電路板設(shè)計(jì)與加工技術(shù)，該輕薄化天線單元組合的使用場(chǎng)景存在局限性：當(dāng)陣列天線接口位置與組件接口位置重合時(shí)，過渡層印制電路板將難以設(shè)計(jì)；當(dāng)采用雙極化陣列天線或單元間距縮短時(shí)，過渡層的接口密度上升，印制電路板的設(shè)計(jì)難度增加；當(dāng)印制電路板的幅面超過508 mm后，印制電路板的經(jīng)濟(jì)性下降，生產(chǎn)成本將大幅上升。因此，后續(xù)將在突破接口位置的限制、提升高密度布板能力、控制加工成本等方面開展進(jìn)一步的研究。