韓博，王伊，劉鵬，高揚(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，西安 710071）

0 引言

相控陣天線具有功率大、易于形成并控制波束進(jìn)行快速掃描、跟蹤多目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中得到了廣泛的重視[1]。相比于單口徑反射面天線，有源相控陣列天線可以實(shí)現(xiàn)線陣、平面陣、共形陣等多種型式，能更好地滿足高增益、窄波瓣、空間掃描、空間多目標(biāo)跟蹤、空分多址和自主控制等功能[2]。有源相控陣?yán)走_(dá)天線可分為模擬有源相控陣天線和數(shù)字有源相控陣天線，其中，模擬相控陣天線經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，憑借成本低、技術(shù)成熟、可靠性高的優(yōu)勢(shì)仍是軍用雷達(dá)發(fā)展和應(yīng)用的主要方向[3]。通常來(lái)講，有源相控陣天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高，其電性能往往受天線陣面設(shè)計(jì)如陣列單元的排列方式、天線陣面的傾角、陣列單元間距、陣面大小排布等因素的影響，因此天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在滿足電性能指標(biāo)要求前提下，還要考慮結(jié)構(gòu)指標(biāo)（體積、質(zhì)量）、環(huán)境要求（風(fēng)、雨、鹽霧、振動(dòng)等），以及安裝、運(yùn)輸、維修等各方面的要求[4]。本文根據(jù)某岸基雷達(dá)的任務(wù)需求，綜合考慮質(zhì)量、結(jié)構(gòu)指標(biāo)等因素設(shè)計(jì)了一種液冷散熱有源相控陣天線，利用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗力學(xué)仿真，并通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)對(duì)天線設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

某液冷散熱有源相控陣天線為岸基有源相控陣天線，該天線要求為天線內(nèi)部組件、散熱冷板及前端天線縱單元提供具有合理性、可靠性、維修性的安裝、保護(hù)和支撐空間，同時(shí)為陣面發(fā)熱模塊（TR組件、電源模塊等）提供額定溫度、流量、壓力的液冷循環(huán)，將發(fā)熱器件的熱量帶走，隨后通過(guò)外部冷源將熱量耗散到大氣中，形成冷卻循環(huán)周而復(fù)始，維持各發(fā)熱器件工作在要求的溫度范圍內(nèi)。該天線主要結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)如下：1）外形尺寸限定在3600 mm×900 mm×900 mm 內(nèi)（不含前端天線陣列及天線罩）；2）最大可拆卸質(zhì)量小于500 kg；3）陣面平面度為2 mm。

1.2 天線結(jié)構(gòu)組成

某液冷散熱有源相控陣天線為框架式結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線陣面呈對(duì)稱性設(shè)計(jì)，外形尺寸為3500 mm×770 mm×780 mm（含底座高度）。

圖1 天線結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.3 天線單元

該天線陣面共由195 個(gè)天線單元組成，每個(gè)單元通過(guò)螺裝固定于天線框架最前端。如圖2 所示，天線單元采用印刷振子的輻射單元，使用聚酰亞胺柔性材料，功分器采用帶線形式，縱列采用功分網(wǎng)絡(luò)和輻射振子一體化設(shè)計(jì)，質(zhì)量輕、加工方便、成本低。

圖2 天線縱列結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 天線主框架

天線框架的主要作用是支撐和安裝天線單機(jī)設(shè)備，為單機(jī)提供安裝接口并對(duì)單機(jī)設(shè)備連接面板起到加強(qiáng)剛度的作用。因此，支撐剛度、接口強(qiáng)度、安裝面平面度是框架結(jié)構(gòu)最重要的考核指標(biāo)[5]。圖3為天線主框架結(jié)構(gòu)示意圖。后側(cè)預(yù)留3個(gè)維修通道門，維修方便快捷?？蚣懿捎闷春赋尚?，經(jīng)過(guò)熱處理以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最后用龍門銑床加工平天線安裝面及安裝孔位，整體一次加工成形，可保證安裝孔的位置精度，最終加工的天線安裝面平面度可控制在2 mm內(nèi)，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又在設(shè)備總質(zhì)量上體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。

圖3 主框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 天線液冷散熱系統(tǒng)

圖4～圖6分別為天線液冷散熱系統(tǒng)組成示意圖和TR組件冷板及電源冷板結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，天線液冷散熱系統(tǒng)主要由TR組件液冷板、液冷系統(tǒng)管路、電源冷板水路分配器組成，冷卻液從分配器進(jìn)液口進(jìn)入后分4路，其中1路供給電源冷板，另3路分別供給前端3塊TR組件液冷板。

圖4 天線散熱系統(tǒng)組成示意圖

單塊TR組件液冷板預(yù)留進(jìn)出液接口各一個(gè)，單塊TR組件液冷板貼裝16件TR組件，通過(guò)6個(gè)M8的螺釘鎖緊固定在主體框 架 內(nèi)部，TR 組件可先行與冷板安裝到位，也可先將冷板安裝在框架上后，再依次安裝TR組件液冷板。

圖5 TR 組件液冷板結(jié)構(gòu)安裝示意圖

單塊電源冷板主要由冷板、定位銷、松不脫螺釘、盲插接頭等組成。冷板一體加工插拔拉手槽，方便冷板的拆裝，冷板正反兩面各貼裝一個(gè)電源模塊，如圖6所示。

圖6 電源液冷板結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 天線電源機(jī)箱

電源冷板機(jī)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，作為一個(gè)獨(dú)立的單元與框架進(jìn)行安裝。如圖7所示，電源機(jī)箱采用抽拉結(jié)構(gòu)，方便電源后端各模塊的維護(hù)及維修。電源機(jī)箱推入到位后后端由定位銷對(duì)準(zhǔn)定位，前面通過(guò)松不脫螺釘與框架進(jìn)行鎖緊固定。電源冷板箱體安裝到位后，將電源冷板順著箱體內(nèi)側(cè)導(dǎo)向槽緩慢插入箱體內(nèi)部，通過(guò)冷板定位銷保證盲插水接頭的盲插精確定位；插入到位后再將冷板后端松不脫螺釘與箱體進(jìn)行鎖緊固定，從而保證水路的密封可靠連接。

圖7 電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.7 天線底座

圖8為天線底座結(jié)構(gòu)示意圖，底座材質(zhì)先用優(yōu)質(zhì)鋁合金拼焊而成，托板與圓形連接底座間用型材焊接加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圓形連接底座上預(yù)留與轉(zhuǎn)臺(tái)連接安裝的孔，同時(shí)預(yù)留4個(gè)吊裝圓環(huán)，方便設(shè)備的起吊安裝；托板上預(yù)留與主體框架連接安裝的M16螺紋通孔，預(yù)留設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽，設(shè)備內(nèi)部流冷系統(tǒng)若發(fā)生滲漏現(xiàn)象，可以通過(guò)此導(dǎo)流槽排出外部。

圖8 天線底座結(jié)構(gòu)示意圖

2 天線抗力學(xué)環(huán)境仿真

2.1 有限元模型及邊界條件

如圖9所示，本文基于ANSYS Workbench16.1建立了天線的有限元模型。建立該有限元模型時(shí)，對(duì)模型的倒角、圓角、凸臺(tái)及螺紋孔等細(xì)小特征簡(jiǎn)化去除；其次，該天線框架主要為6061鋁合金型材，內(nèi)部模塊均設(shè)為5A06鋁合金材料，給模型中各零件賦予相應(yīng)的材料屬性，包括密度、彈性模量及泊松比等；再次，根據(jù)各零件之間的接觸、連接關(guān)系，設(shè)置好零件間相應(yīng)的接觸類型，約束條件為對(duì)天線底座安裝孔進(jìn)行固定約束；最后，在ANSYS Workbench中利用Meshing網(wǎng)絡(luò)剖分平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到一個(gè)單元數(shù)量約為280萬(wàn)的有限元模型。

圖9 天線有限元模型

如圖10所示，天線坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系為：X軸為垂向，Y軸為橫向，Z軸為縱向。

圖10 坐標(biāo)軸示意圖

2.2 天線力學(xué)環(huán)境工況

按 照GJB 150.16A振動(dòng)試驗(yàn)中高速公路車載運(yùn)輸條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)算，表1 為該天線的隨機(jī)振動(dòng)條件。

表1 天線隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

3 結(jié)果與分析

天線抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)是為了保證天線滿足電尺寸的前提下，通過(guò)材料的選擇、調(diào)整結(jié)構(gòu)安裝連接方式等一系列措施，以達(dá)到滿足設(shè)備的強(qiáng)度、剛度的要求，保證天線在工作期間滿足指標(biāo)要求。經(jīng)仿真計(jì)算，該天線的前3階基頻分別為29.336、29.416、43.566 Hz。

天線隨機(jī)振動(dòng)條件下的應(yīng)力及位移結(jié)果如圖11～圖16所示。表3為天線隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果，由結(jié)果可知，天線在Y向（即天線橫向）的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)最小，這是由于天線為一維線陣，天線底座桁架作為天線主承力結(jié)構(gòu)，在Y向結(jié)構(gòu)剛性最好而在Z向和X向較為薄弱，最大響應(yīng)發(fā)生在天線底座與天線框架連接桁架處，此時(shí)最大應(yīng)力產(chǎn)生在X向（垂直于底座），其值為131.72 MPa的最大位移則發(fā)生在天線框架頂部加強(qiáng)筋區(qū)域，為0.879 mm。

圖11 X向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

圖12 X向隨機(jī)振動(dòng)位移

圖13 Y向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

圖14 Y向隨機(jī)振動(dòng)位移

圖15 Z向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

圖16 Z向隨機(jī)振動(dòng)位移

作為岸基雷達(dá)天線，對(duì)底座的支撐剛度和強(qiáng)度要求較高，在設(shè)計(jì)極限載荷下的前提下，結(jié)構(gòu)部件需具有一定的安全裕度，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，且要求設(shè)計(jì)極限載荷為鑒定載荷與安全系數(shù)( 取K=1.5) 的乘積，金屬的強(qiáng)度安全裕度MS≥0[6]。 安全裕度定義為

式中：MS為安全裕度；Sa材料極限強(qiáng)度；Se為最大應(yīng)力響應(yīng)。

由仿真結(jié)果可知，天線最大應(yīng)力Se=131.72 MPa，可以根據(jù)公式計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度裕度：其中Sa=220 MPa；得到安全裕度為MS=0.11＞0，表明該天線結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

目前，該天線初樣件框架已完成結(jié)構(gòu)加工，天線初樣件實(shí)物圖如圖17所示。液冷散熱裝置已完成裝配，并相繼開展了天線常溫檢測(cè)、環(huán)境試驗(yàn)及液冷散熱裝置高低溫工作和貯存試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)量，天線框架及底座總質(zhì)量約為400 kg，液冷散熱裝置總質(zhì)量約為90 kg，最大可拆卸質(zhì)量滿足技術(shù)指標(biāo)要求。利用三坐標(biāo)對(duì)天線陣面進(jìn)行測(cè)量，得到平面度為1.5 mm，滿足要求。天線經(jīng)模塊配重裝配后進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)后天線初樣件框架無(wú)物理?yè)p傷，天線框架自身強(qiáng)度滿足安全裕度要求，天線基頻與支撐結(jié)構(gòu)的頻率無(wú)頻率耦合現(xiàn)象，力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的合理性。

表2 天線隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種液冷散熱有源相控陣天線，并對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了具體說(shuō)明，然后利用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，后續(xù)針對(duì)天線初樣件進(jìn)行了相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)，最終結(jié)果表明天線具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，滿足指標(biāo)要求。

圖17 天線初樣件實(shí)物圖