蔡香偉 束峰濤

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

隨著現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭(zhēng)需求和科技的不斷發(fā)展，有源相控陣體制在可靠性、隱身性、抗干擾能力和多目標(biāo)攻擊能力等方面均有大幅度提升，逐漸成為現(xiàn)代雷達(dá)產(chǎn)品的主流[1-3]。

本文針對(duì)某機(jī)載雷達(dá)研制的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種有源相控陣天線，通過(guò)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足剛強(qiáng)度指標(biāo)要求。

1 有源天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 有源天線安裝示意

天線陣面采取二維陣列布局且天線密度大，陣面中的有源設(shè)備較多，陣面安裝精度要求高，因此需合理采用高度集成化的設(shè)計(jì)理念對(duì)陣面設(shè)備進(jìn)行精心布局。有源天線結(jié)構(gòu)分解如圖2 所示，按設(shè)備組成的功能將其劃分為有源相控陣天線、低功率射頻等兩大部分。

圖2 有源天線分解示意

有源相控陣天線包括微帶列線源、校正網(wǎng)絡(luò)、校正開(kāi)關(guān)、可擴(kuò)充陣列模塊、子陣網(wǎng)絡(luò)、陣面電源、反射板及天線框架等。其中天線框架是天線單元的主承力構(gòu)件，天線陣面的機(jī)、電、液接口均需經(jīng)其轉(zhuǎn)接，再與外部相連。反射板與天線陣子安裝在天線框架的前端面，可擴(kuò)充陣列模塊、校正網(wǎng)絡(luò)、陣面電源等沿陣面法向方向安裝在反射板上，校正開(kāi)關(guān)布置在天線框架上端內(nèi)壁上，子陣網(wǎng)絡(luò)安裝在可擴(kuò)充陣列模塊的后表面上。

低功率射頻安裝在天線框架的背面，主要由窄帶接收、數(shù)字收發(fā)、模擬收發(fā)、頻率合成及接收電源等模塊組成，低功率射頻與天線框架通過(guò)法蘭連接，整體形成一個(gè)封閉的箱式結(jié)構(gòu)，有助于增加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度。在箱體底部加裝一對(duì)阻尼鉸鏈，當(dāng)設(shè)備需要維修時(shí)，可以防止低功率射頻跌落，并避免電纜拉扯破壞。圖3 為有源天線陣面背面示意。設(shè)備布局綜合考慮了各設(shè)備之間的線纜互聯(lián)，避免線纜交叉，同時(shí)對(duì)于需要維修的設(shè)備如可擴(kuò)充陣列模塊、子陣網(wǎng)絡(luò)等采用盲插方式安裝，便于各設(shè)備的維修與拆裝。

圖3 有源天線背面

1.1 天線陣面

天線陣面為扁平結(jié)構(gòu)的二維有源相掃天線，具有模塊化程度高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。圖4 為天線陣面的示意，天線采用矩形布陣，有效口徑為294.4（俯仰）×166.4mm（方位），俯仰向集成設(shè)計(jì)為列線源形式。

圖4 天線陣面示意

1.2 反射冷板

反射板是機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)形式需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其集天線陣子的電反射面、可擴(kuò)充陣列模塊承力件，電、液盲配板于一體，列線源與可擴(kuò)充陣列模塊分別固定在反射冷板的兩側(cè)。列線源輸出口通過(guò)SMP 接頭與可擴(kuò)充模塊輸入口直接盲插連接，校正網(wǎng)絡(luò)與列線源的校正輸出接口同樣采用盲配形式連接。圖5 為反射冷板示意圖，反射冷板上設(shè)置水分配器、靜壓腔，與可擴(kuò)充陣列模塊通過(guò)水接頭盲配連接，將冷卻液帶入可擴(kuò)充陣列模塊中的冷板中，進(jìn)而將熱量帶走。

圖5 反射冷板示意

1.3 可擴(kuò)充陣列模塊

可擴(kuò)充陣列模塊是有源天線陣面的核心，它的體積、重量、發(fā)熱量在整個(gè)天線系統(tǒng)所占比例最大，因此要求SAM體積盡量小，重量盡量輕，散熱最佳。

可擴(kuò)充陣列模塊從反射冷板的背面（正面為列線源的安裝面）插拔裝卸，其電連接器和液冷連接器均安裝在反射冷板背板上，采用盲插拔的連接形式。為了保證可擴(kuò)充陣列模塊的盲插拔功能和性能，其殼體上的機(jī)械接口、電接口、液接口的位置精度要求較高，不能低于±0.05mm。在這些接口中，定位精度要求最高的是液接口，因此在定位銷的布置和精度要求要優(yōu)先考慮液接口的要求：在進(jìn)液、回液水接頭附近分別布置一個(gè)定位銷，如圖6 所示。

圖6 可擴(kuò)充陣列模塊示意

1.4 子陣網(wǎng)絡(luò)

有源天線陣面共有4 個(gè)子陣網(wǎng)絡(luò)，外形如圖7 所示，包含功分/合成網(wǎng)絡(luò)、電源管理網(wǎng)絡(luò)、波控電路，為可擴(kuò)充陣列模塊提供所需的射頻、電源、控制信號(hào)。

圖7 可擴(kuò)充陣列模塊

2 多級(jí)盲配互聯(lián)技術(shù)

由于單元間距小、集成度高、連接通路多，如果采用傳統(tǒng)的射頻電纜對(duì)微帶天線與可擴(kuò)充陣列模塊之間、可擴(kuò)充陣列模塊與子陣網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行射頻連接，已經(jīng)無(wú)法滿足產(chǎn)品小型化要求，而多級(jí)盲配互聯(lián)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在高密度集成設(shè)備中[4-5]，因此，在天線系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了盲配實(shí)現(xiàn)各級(jí)模塊之間的射頻互聯(lián)。每一級(jí)盲配均通過(guò)銷孔和定位銷的配合保證盲配精度;盲配互聯(lián)設(shè)計(jì)提高了連接可靠性，降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面尺寸、重量和損耗，并具有較好的維修可達(dá)性。

3 有源天線力學(xué)仿真

根據(jù)天線的具體結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)臺(tái)、天線骨架、可擴(kuò)充陣列模塊、低功率射頻等采用實(shí)體與殼單元模擬；子陣網(wǎng)絡(luò)、陣面電源、校正開(kāi)關(guān)、校正網(wǎng)絡(luò)等采用殼單元模擬；電纜、連接器、液冷接頭等非承力件，在保證重心位置不變的情況下采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效，有限元模型如圖8 所示。

圖8 有限元模型

在前后方向隨機(jī)振動(dòng)條件下，陣面法向變形最大，均方根值為0.1 毫米，小于電訊指定的0.2 毫米指標(biāo)要求；在9g 向后過(guò)載的載荷條件下，應(yīng)力值最大，為73MPa，天線骨架采用5A06 鋁合金加工，許用應(yīng)力為155MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

基于某機(jī)載雷達(dá)任務(wù)需求，本文對(duì)有源相控陣天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，計(jì)算結(jié)果表明系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。