張李軍，王 晨，顧葉青，周小龍

（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，其高功率、高效率的本質(zhì)特征為大幅提升雷達作用距離提供了最有效的技術(shù)途徑[1]，已成為當(dāng)今相控陣?yán)走_發(fā)展的主流方向[2]。有源相控陣天線是典型的復(fù)雜電子機械裝備，通常由天線單元組合、T/R組件、電源模塊、饋線網(wǎng)絡(luò)模塊、熱控管網(wǎng)以及作為結(jié)構(gòu)支撐基礎(chǔ)的天線骨架等組成[1]。其中，天線單元與T/R組件之間需實現(xiàn)快速互連，以滿足維修性與互換性的要求[3–4]。此外，也要求電源網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)等能快速方便地實現(xiàn)互連[5–6]。盲插互連技術(shù)是將一對具有盲插對接功能的電連接器分別裝在一個固定面板和一個可移動模塊上，通過移動模塊直接實現(xiàn)電連接器之間互連的技術(shù)[3–6]。

盲插互連可以使天線陣面獲得更高的集成度，可實現(xiàn)天線陣面結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，從而提高雷達的綜合性能，而且無引線對接技術(shù)還使天線陣面更簡潔美觀。不過，盲插互連的高精度需求對天線陣面及天線骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。

本文介紹了某車載有源相控陣天線陣面高集成和功能模塊化的設(shè)計方法，采用內(nèi)外框架拼裝形式的新型骨架，既保證了天線陣面的剛強度，又滿足了盲插互連的高精度需求，而且還可縮短研制周期，降低研制成本，為天線陣面的高集成設(shè)計提供了一種新的思路。

1 天線陣面系統(tǒng)設(shè)計

某車載有源相控陣天線陣面（圖1）包括天線單元組合、天線骨架、T/R組件、陣面電源、饋線網(wǎng)絡(luò)、冷卻網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。該天線根據(jù)陣面上的設(shè)備組成及設(shè)備之間的互連關(guān)系，結(jié)合可維修性、測試便利性和可靠性，采用了高集成和功能模塊化設(shè)計。由功能結(jié)構(gòu)一體化冷卻面板替代傳統(tǒng)方案的不銹鋼冷卻管網(wǎng)，由盲插互連的饋線綜合層替代傳統(tǒng)方案的電纜組件直插式結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)天線陣面，其厚度減小了一半，質(zhì)量減輕了40%，從而提高了雷達設(shè)備的高機動性。在天線陣面布局上，將若干個T/R組件集成為一個具有獨立功能的子陣面艙室模塊。天線陣面上的設(shè)備都安裝在天線骨架的前端或后端，骨架（陣面的承載結(jié)構(gòu)）的逐級定位高精度設(shè)計保證了陣面上設(shè)備之間盲插互連的可靠性。

圖1 某車載有源相控陣天線陣面外形

天線面板將天線骨架分隔為前艙和后艙，前艙布置天線單元組合，后艙布置T/R組件及后端的饋線網(wǎng)絡(luò)。前艙由一體化多功能冷卻面板上統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)保證盲插的高精度要求，實現(xiàn)T/R組件在前端與天線單元組合及冷卻面板的無引線互連。后艙通過饋線綜合層分配和匯總電訊信號，從而實現(xiàn)每一個子陣面艙室在功能上的獨立。

2 天線骨架設(shè)計

天線骨架內(nèi)部由橫梁和縱梁分隔成具有獨立功能的子陣面艙室（圖2），每個子陣面艙室包含有源T/R組件、饋線網(wǎng)絡(luò)及天線單元組合等。T/R組件的上、下兩側(cè)通過浮動盲插形式實現(xiàn)與饋線網(wǎng)絡(luò)的信號互連。饋線網(wǎng)絡(luò)及T/R組件都安裝和定位在橫梁和面板上，彼此之間的定位精度是能否實現(xiàn)信號可靠互連的關(guān)鍵，所以為了保證T/R組件與饋線網(wǎng)絡(luò)信號互連的可靠性，對天線骨架提出了高精度的要求。

考慮到以上因素，在設(shè)計時將天線骨架拆分為內(nèi)框架與外框架，兩側(cè)采用連接件固定，通過定位銷將內(nèi)框架從前端安裝進外框架并用緊固件固定，如圖2所示。外框架由四周的箱梁拼焊成型，為鋼結(jié)構(gòu)，起到保證結(jié)構(gòu)強度和支撐的作用；內(nèi)框架由橫梁和縱梁通過榫卯定位，與面板螺接拼裝，保證T/R組件、饋線網(wǎng)絡(luò)和天線單元盲插互連的精度。內(nèi)框架以天線面板為基準(zhǔn)，橫梁、T/R組件與面板定位，饋線網(wǎng)絡(luò)與橫梁定位，通過逐級定位將精度要求分配到橫梁上，而縱梁僅作為整個框架結(jié)構(gòu)的支撐。天線面板上的安裝和定位要素由鋁板一體機加工成型，保證了各個部件拼裝的定位精度。橫梁由定制鋁型材機加工成型，避免了焊接等其他工藝帶來的變形問題，有效保證了因盲插互連產(chǎn)生的高精度需求。骨架內(nèi)框架以零部件形式加工后再進行拼裝，大大縮短了項目研制周期，節(jié)約了成本。

圖2 天線骨架內(nèi)外框架示意圖

車載平臺的天線陣面有密封的要求。雖然在結(jié)構(gòu)形式上，天線骨架外框架包裹了內(nèi)框架，但螺接形式并不能起到密封的作用。因此，在設(shè)計時，天線陣面的前端利用天線罩實現(xiàn)天線骨架內(nèi)外框架的密封；在天線陣面的后端，在內(nèi)框架與外框架之間設(shè)計門框，利用門框上的密封條實現(xiàn)天線骨架內(nèi)外框后端結(jié)合處的密封。

3 天線陣面力學(xué)分析

3.1 有限元模型的建立

對于相控陣天線這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有限元法是最常用和最有效的力學(xué)分析方法。根據(jù)仿真分析內(nèi)容的需要，采用ANSYS軟件對天線陣面的振動和沖擊特性進行分析。根據(jù)陣面的骨架結(jié)構(gòu)形式進行有限元模型的建模，建模中對面板上的小孔、倒角和凸臺等特征進行簡化，不考慮其對骨架結(jié)構(gòu)振動與沖擊性能的影響。由于天線骨架內(nèi)大部分結(jié)構(gòu)均為薄板結(jié)構(gòu)，一個方向上的尺寸遠小于另外兩個方向，所以采用殼單元Shell63進行網(wǎng)格劃分。

天線骨架外部由Q345鋼板焊接箱梁結(jié)構(gòu)形成外框架，內(nèi)部由鋁制縱梁與橫梁及面板形成內(nèi)框架，結(jié)構(gòu)所用材料參數(shù)見表1。計算時，天線骨架自身總質(zhì)量為2.4 t，天線單元與其他附件的總質(zhì)量約為4.9 t。

表1 材料參數(shù)

在進行力學(xué)分析時，涉及計算工作的物理量長度、質(zhì)量、密度、力和應(yīng)力的單位分別為mm，kg，kg/mm3，mN和kPa。為方便描述，建模、分析所涉及的總體坐標(biāo)系約定為：X 軸方向為橫梁方向，Y 軸方向為縱梁方向，Z 軸方向為天線陣面厚度即法向方向，遵守右手定則。

3.2 天線骨架靜態(tài)分析

由于要求在有限的空間設(shè)計出合理的天線骨架結(jié)構(gòu)，在嚴(yán)格控制質(zhì)量的基礎(chǔ)上還需保證骨架結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下的強度和剛度，而且車載平臺天線骨架還需滿足一定的抗風(fēng)能力，因此根據(jù)該型產(chǎn)品的環(huán)境條件要求，需對下面4種工況進行分析校核：

1）工況1，倒豎狀態(tài)，不工作；

2）工況2，6級風(fēng)，風(fēng)速為13.8 m/s，自重，計算參考溫度為20°C，需保精度工作；

3）工況3，8級風(fēng)，風(fēng)速為20 m/s，自重，計算參考溫度為20°C，需正常工作；

4）工況4，12級風(fēng)，風(fēng)速為40 m/s，自重，計算參考溫度為20°C，設(shè)備不損壞。

通過施加均布載荷，模擬它對天線骨架的影響。當(dāng)給定風(fēng)速為平穩(wěn)風(fēng)速時，風(fēng)壓q的計算公式為：

式中：V 為風(fēng)速；g 為重力加速度；KR為風(fēng)阻系數(shù)，主要取決于物體的形狀與風(fēng)向，這里3種工況中均取1.4；Kg為陣風(fēng)因子，當(dāng)給定風(fēng)速為最大風(fēng)速時取為1；Kh為高度因子，取為1。

經(jīng)計算，工況2，工況3和工況4下的風(fēng)壓分別為167 Pa，350 Pa和1 400 Pa。分析時，風(fēng)壓等效為集中力載荷，施加在相應(yīng)的節(jié)點上。

經(jīng)分析，在天線陣面倒豎狀態(tài)（工況1）下，天線骨架的最大應(yīng)力為61 MPa，出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強度345 MPa,相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖3所示。

天線陣面工作狀態(tài)的3種工況下的最大變形和最大應(yīng)力見表2。天線骨架在3種工況下的最大應(yīng)力分別為12.6 MPa，15.2 MPa和23.8 MPa，均出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強度345 MPa。圖4為工況3下的應(yīng)力分布云圖。

表2 工作狀態(tài)下的靜態(tài)分析結(jié)果

圖4 陣面工況3下的應(yīng)力分布云圖

天線陣面在高低溫條件下需保證精度要求，其低溫工作條件為?40°C，高溫工作條件為+50°C。天線陣面上的設(shè)備（包括天線單元）都安裝定位在天線骨架內(nèi)框架上，且均為同質(zhì)材料，熱膨脹系數(shù)一致，可保證高精度要求。前端和后端由高頻箱門和天線罩與外界高低溫環(huán)境隔離，需保精度的骨架內(nèi)框架和陣面設(shè)備為艙內(nèi)環(huán)境，受高低溫環(huán)境影響相對較小。天線骨架內(nèi)外框架通過連接件過渡，有一定的調(diào)節(jié)作用。經(jīng)分析，天線陣面在高低溫下的變形為1.02 mm，滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，如圖5所示。

圖5 陣面變形分布云圖

3.3 天線骨架振動沖擊分析

車載有源相控陣?yán)走_在滿足高機動要求的同時，在長距離運輸時，其天線陣面及天線骨架還需保證強度和剛度。根據(jù)國軍標(biāo)要求，隨機振動和沖擊條件見表3和表4。

表3 隨機振動條件

表4 沖擊條件

經(jīng)分析，在垂向振動工況下，天線骨架的最大變形為0.22 mm，滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，最大應(yīng)力為168.7 MPa，出現(xiàn)在上支耳處，不超出Q345鋼的屈服強度345 MPa，相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖6所示。

在垂向沖擊工況下，11 ms時天線骨架的最大變形為5.15 mm，最大應(yīng)力為202.35 MPa，出現(xiàn)在上支耳處。垂向沖擊時，天線骨架內(nèi)外框架拼裝連接件（采用7075鋁合金材料，許用應(yīng)力約為550 MPa）的最大應(yīng)力為203.7 MPa，滿足強度要求。圖7為垂向沖擊變形分布云圖。

圖6 垂向振動應(yīng)力分布云圖（3σ）

圖7 垂向沖擊變形分布云圖

支耳孔承受由螺栓傳來的載荷，為防止因孔變形配合精度下降，導(dǎo)致天線在沖擊和振動條件下無法正常工作，需校核支耳孔的擠壓強度。支耳材料為鋼Q345，其屈服強度σb= 345 MPa，實際承受應(yīng)力σbr= Pult/dt（σbr從仿真結(jié)果中提取得到，Pult為支耳片承受的設(shè)計載荷，t為時間），安全系數(shù)η =Kbrσb/σbr（Kbr為擠壓系數(shù)，Kbrσb為擠壓強度），設(shè)計時需保證安全系數(shù)大于1。校核結(jié)果見表5。從表5可知安全系數(shù)大于1。在實際設(shè)計時，上支耳處還增加了筋板，以進一步提高安全裕度。

表5 支耳孔校核結(jié)果

4 結(jié)束語

針對某車載有源相控陣?yán)走_高機動的設(shè)計需求，天線陣面采用高集成和功能模塊化設(shè)計，由功能結(jié)構(gòu)一體化冷卻面板替代不銹鋼冷卻管網(wǎng)，由盲插互連的饋線綜合層替代電纜組件直插式結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)天線陣面，其厚度減小了一半，質(zhì)量減輕了40%。設(shè)計時天線骨架外部采用由鋼板焊接的箱梁結(jié)構(gòu)形式的外框架，保證天線骨架在各環(huán)境條件下的強度和剛度；內(nèi)部采用橫縱梁與面板逐級定位的高精度設(shè)計的內(nèi)框架，保證天線骨架內(nèi)設(shè)備及饋線網(wǎng)絡(luò)安裝的高精度要求。從仿真分析可以看出，天線骨架結(jié)構(gòu)在各工況下均能滿足電訊提出的精度指標(biāo)要求，整體性能較好。