波導(dǎo)裂縫陣列天線可生產(chǎn)性研究

張立東， 張 艷

（1．電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海200090）

0 引言

波導(dǎo)裂縫陣列天線不存在口徑遮擋問(wèn)題，且天線口面場(chǎng)分布可以通過(guò)控制陣面上各個(gè)裂縫的電導(dǎo)值來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭天線高效率、低旁瓣的性能要求［1］。目前，該類(lèi)天線在雷達(dá)導(dǎo)引頭天線中得到廣泛的應(yīng)用。在波導(dǎo)縫隙陣列天線研制工作中，借助電磁場(chǎng)仿真工具的應(yīng)用，通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，平板縫隙陣列天線的電設(shè)計(jì)已不是天線研制的主要矛盾。平板縫隙陣列天線仿真計(jì)算結(jié)果正常，完全符合技術(shù)指標(biāo)要求。但天線經(jīng)加工焊接后，測(cè)試結(jié)果與技術(shù)要求差別很大。這種誤差到底是金加工的尺寸公差引起的還是因?yàn)楹附硬坏轿灰鸬?，為了能夠把?wèn)題準(zhǔn)確定位，設(shè)計(jì)師可以把波導(dǎo)縫隙陣列天線的金加工零件直接拼接在一起，用夾具夾好，進(jìn)行診斷性測(cè)試。假如在焊接前，這種測(cè)試結(jié)果可以符合天線的技術(shù)指標(biāo)要求；而焊接后，天線性能卻出現(xiàn)較大變化，那么問(wèn)題基本就可以定位在焊接上。

純粹從波導(dǎo)縫隙陣列天線焊接工藝來(lái)分析，焊接可能引入的主要問(wèn)題一般分以下幾種：虛焊、焊根太大（焊瘤）、焊接變形以及由于焊料引起的波導(dǎo)高度尺寸變化等等，理論上，虛焊、焊根太大等以上這些問(wèn)題都可以通過(guò)一定的工藝方法加以控制，但這需要大量的工藝試驗(yàn)進(jìn)行摸索。

近期的一些波導(dǎo)縫隙陣列天線研制工作中，設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)某些波導(dǎo)縫隙陣列天線的焊接成品率較低，而某些波導(dǎo)縫隙陣列天線的焊接成品率很高。通過(guò)一些解剖比較及深入的分析發(fā)現(xiàn)，前者天線設(shè)計(jì)中采用的某些特殊結(jié)構(gòu)特別容易產(chǎn)生較大焊根（焊瘤），從而可能引起天線性能的惡化，而常規(guī)的天線焊接工藝又很難控制這些特殊結(jié)構(gòu)上焊根的大小，從而導(dǎo)致這些天線的成品率很低。在后者焊接成品率高的天線上則不存在這樣的特殊結(jié)構(gòu)。由于這些平板縫隙陣列天線設(shè)計(jì)中采用的某些特殊結(jié)構(gòu)的存在，以及天線焊接中在這些部位產(chǎn)生的焊瘤或焊料引起的波導(dǎo)高度變化到底會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生什么樣的影響以及影響的程度有多大，有必要進(jìn)一步從理論上加以研究，以便相關(guān)設(shè)計(jì)師在后續(xù)天線研制中引起注意，避免類(lèi)似情況的發(fā)生。

1 采用某些特殊結(jié)構(gòu)的作用

電磁波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)，導(dǎo)波波長(zhǎng)一般與波導(dǎo)寬度有關(guān)，但是在某些情況下由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，在控制天線外形尺寸不變的情況下，需要縮短某段波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)波波長(zhǎng)。理論上，可以在波導(dǎo)內(nèi)加入一些特殊結(jié)構(gòu)，以形成一小段脊波導(dǎo)［2］，如圖1所示，其中波導(dǎo)a為常規(guī)波導(dǎo)，波導(dǎo)b為加入特殊結(jié)構(gòu)的非常規(guī)波導(dǎo)，即在波導(dǎo)一端靠近頭部位置，加入一個(gè)金屬塊。同時(shí)，其中波導(dǎo)b的外形尺寸要比波導(dǎo)a短一截，可以保持兩根波導(dǎo)的端口電特性參數(shù)基本不變。所以在天線的外形尺寸存在限制的情況下，這些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)于縮小天線的尺寸是很有幫助的。

圖1 常規(guī)波導(dǎo)與非常規(guī)波導(dǎo)外形結(jié)構(gòu)圖

可以通過(guò)仿真計(jì)算的結(jié)果來(lái)比較兩種波導(dǎo)電特性參數(shù)情況。如圖2所示，其中，縱坐標(biāo)軸表示波導(dǎo)端口S11相位參數(shù)，單位：度；橫坐標(biāo)表示頻率，單位：GHz。圖中實(shí)線表示波導(dǎo)a端口的相位－頻率特性曲線，虛線表示波導(dǎo)b端口的相位－頻率特性曲線，可以看出，確實(shí)在一定的帶寬范圍內(nèi)，兩根波導(dǎo)的相位特性參數(shù)基本一致。

圖2 常規(guī)波導(dǎo)與非常規(guī)波導(dǎo)端口特性參數(shù)比較

2 焊接中產(chǎn)生的問(wèn)題及危害

對(duì)于金加工及焊接工藝來(lái)說(shuō)，常規(guī)波導(dǎo)的加工及焊接相對(duì)比較容易，即使在波導(dǎo)的四個(gè)邊角有一些焊根存在，因?yàn)樵谶@些波導(dǎo)邊角位置電磁場(chǎng)強(qiáng)度較?。ㄈ鐖D3所示波導(dǎo)a），不會(huì)對(duì)波導(dǎo)的電特性參數(shù)造成嚴(yán)重的影響。但在波導(dǎo)中加入這種特殊結(jié)構(gòu)以后，波導(dǎo)腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)不再保持連續(xù)（如圖3所示波導(dǎo)b），在置入的特殊結(jié)構(gòu)周?chē)碾姶艌?chǎng)強(qiáng)度明顯大于常規(guī)波導(dǎo)，同時(shí)該部位的導(dǎo)波波長(zhǎng)明顯變短［3］。如果在這些部位存在一些焊根，就有可能對(duì)波導(dǎo)中的電特性參數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

圖3 常規(guī)波導(dǎo)與非常規(guī)波導(dǎo)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布比較圖

根據(jù)對(duì)焊接工藝的分析，同時(shí)結(jié)合對(duì)天線焊接情況的解剖，目前天線焊接中實(shí)際存在的主要問(wèn)題有兩個(gè)：其一就是由于焊料引起的波導(dǎo)高度尺寸變化控制精度還不夠，其二就是局部位置焊根太大，容易形成焊瘤，下面主要針對(duì)這兩種情況，利用仿真手段進(jìn)一步分析這些問(wèn)題對(duì)于常規(guī)波導(dǎo)與非常規(guī)波導(dǎo)電特性參數(shù)的影響。

2．1 焊料填充引起的波導(dǎo)高度變化效應(yīng)

在非常規(guī)波導(dǎo)中，由于在波導(dǎo)的一端置入一個(gè)金屬塊，如圖4上半部分所示，從而使局部的波導(dǎo)高度由a變?yōu)閍－b，假定焊料填充引起的波導(dǎo)高度變化量為Δa，理論上，Δa確定的話，那么波導(dǎo)高度越小，對(duì)于波導(dǎo)內(nèi)電特性參數(shù)影響越大。所以對(duì)于非常規(guī)波導(dǎo)而言，由于（a－b）＜a，即Δa／（a－b）＞Δa／a，所以由Δa引起的波導(dǎo)內(nèi)電特性參數(shù)的變化程度要大于常規(guī)波導(dǎo)，圖4下半部分所示圖表中：縱坐標(biāo)軸表示波導(dǎo)端口S11相位參數(shù)，單位：度；橫坐標(biāo)表示頻率，單位：GHz。其中實(shí)線與虛線表示當(dāng)Δa分別為0 mm及0．1 mm時(shí)，圖中上半部分所示非常規(guī)波導(dǎo)的相位特性變化達(dá)到8°左右。且Δa越大，非常規(guī)波導(dǎo)的相位特性變化也將越大。

圖4 非常規(guī)波導(dǎo)高度變化時(shí)內(nèi)部電場(chǎng)相位參數(shù)變化曲線

而在常規(guī)波導(dǎo)中，由圖5下半部分所示圖表中，縱坐標(biāo)軸表示波導(dǎo)端口S11相位參數(shù)，單位：度；橫坐標(biāo)表示頻率，單位：GHz。圖中可以看出，當(dāng)Δa為0 mm及0．1 mm時(shí)，實(shí)線與虛線則基本重合，所以，對(duì)于常規(guī)波導(dǎo)，當(dāng)Δa為0 mm及0．1 mm時(shí)，其端口S11相位特性參數(shù)則基本沒(méi)有什么變化。所以如果天線采用的是常規(guī)波導(dǎo)的話，由于a＞（a－b），由引起的波導(dǎo)內(nèi)電特性參數(shù)的變化很小，即使在天線焊接中對(duì)于波導(dǎo)高度尺寸控制不太好，Δa有一些變化，也不會(huì)引起天線性能惡化。而對(duì)于非常規(guī)波導(dǎo)，由Δa引起的波導(dǎo)內(nèi)電特性參數(shù)的變化則較大，在天線焊接中對(duì)于波導(dǎo)高度尺寸控制不好，Δa有一些變化，就會(huì)最終導(dǎo)致天線性能惡化。

圖5 常規(guī)波導(dǎo)高度變化時(shí)內(nèi)部電場(chǎng)相位參數(shù)變化曲線

2．2 小縫隙引起的多余焊料浸潤(rùn)效應(yīng)

另外，非常規(guī)波導(dǎo)中，由于在波導(dǎo)一端置入一個(gè)金屬塊，由圖6上半部分可見(jiàn)，金屬塊與波導(dǎo)一端的間隙c比較小的話，在天線焊接時(shí)，可能會(huì)由于多余焊料沒(méi)控制好，從而有多余焊料進(jìn)入該間隙，引起波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)特性參數(shù)的變化，該變化可以由圖6下半部分的波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)相位特性參數(shù)曲線明顯表示出來(lái)。圖中縱坐標(biāo)軸表示波導(dǎo)端口S11相位參數(shù)，單位：度；橫坐標(biāo)表示頻率，單位：GHz。其中實(shí)線表示沒(méi)有多余焊料的情況，虛線表示多余焊料進(jìn)入間隙c的情況，比較兩條曲線可以看出，該相位特性變化達(dá)到50°左右。一般在平板縫隙陣列天線設(shè)計(jì)工作中，波導(dǎo)內(nèi)部電場(chǎng)相位參數(shù)與設(shè)計(jì)值偏差50°，對(duì)整個(gè)天線的性能影響是毀滅性的，是天線設(shè)計(jì)所必須要避免的。

圖6 多余焊料浸潤(rùn)效應(yīng)引起的內(nèi)部電場(chǎng)相位參數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

綜上分析可見(jiàn)，相對(duì)于采用常規(guī)波導(dǎo)設(shè)計(jì)的天線，采用非常規(guī)波導(dǎo)設(shè)計(jì)的天線在焊接中，由焊料填充引起的波導(dǎo)高度變化效應(yīng)會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，多余的焊料浸潤(rùn)效應(yīng)引起的內(nèi)部電場(chǎng)相位參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響，要比前述影響更加嚴(yán)重。所以作為天線設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，在平時(shí)天線設(shè)計(jì)工作中，如果天線焊接工藝不能保證杜絕多余的焊料浸潤(rùn)效應(yīng)或控制好波導(dǎo)高度的情況下，應(yīng)盡量避免采用上述分析中類(lèi)似的特殊結(jié)構(gòu)形式，以免最終無(wú)法保證天線性能。

由于天線外形結(jié)構(gòu)尺寸的限制，不得以采用上述分析中類(lèi)似的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，必須采取嚴(yán)格的工藝措施：其一要在焊接工藝中控制好波導(dǎo)高度的變化，使波導(dǎo)高度盡量接近設(shè)計(jì)值；其二是要杜絕多余的焊料浸潤(rùn)效應(yīng)的發(fā)生，才能保證焊接出的天線最終達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。

［1］ 毛康侯、沈心雄、袁剛直，等．防空導(dǎo)彈天線［M］．北京：宇航出版社，1991．

［2］ 黃虹，譯．單脈沖雷達(dá)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1974．

［3］ 林昌祿、陳海、吳為公，等．近代天線設(shè)計(jì)［M］．北京：人民郵電出版社，1987．