某有源相控陣氣象雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳應(yīng)春，馮 喆，宋曉斐，何 軍

(1. 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

目前軍隊(duì)和地方氣象局現(xiàn)役天氣雷達(dá)主要采用機(jī)械掃描天線。該天氣雷達(dá)僅有單個(gè)波束，完成一次空域探測(cè)通常需要8 min，對(duì)于雷暴、下?lián)舯┝?、風(fēng)切變等危險(xiǎn)天氣，因其尺寸小、變化速度快、導(dǎo)致無法及時(shí)獲得危險(xiǎn)天氣的精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)，所以影響對(duì)危險(xiǎn)天氣的識(shí)別和監(jiān)測(cè)預(yù)警。

相控陣體制雷達(dá)經(jīng)過50年的發(fā)展，已經(jīng)從無源相控陣發(fā)展到有源相控陣，又發(fā)展到數(shù)字陣。它采用電的方式控制雷達(dá)波束的指向變化來進(jìn)行掃描，這種方式被稱為電掃描，它比機(jī)械掃描更優(yōu)越[1]。另外相控陣?yán)走_(dá)容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成，與電子計(jì)算機(jī)相配合，能同時(shí)搜索跟蹤不同方向，不同高度的多批目標(biāo)。

有源相控陣?yán)走_(dá)天線雖然功能全面，戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，但造價(jià)很高，高昂的價(jià)格限制了該類型雷達(dá)天線的應(yīng)用。目前，世界各國(guó)研發(fā)的有源相控陣?yán)走_(dá)天線更多的是在總體成本和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之間尋找平衡[2]，在資金有限的條件下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及組件高度集成化、通用化等降低總體成本[3]。民品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，能否設(shè)計(jì)出高性能、低成本的有源相控陣天線關(guān)系到企業(yè)的生存發(fā)展，更關(guān)系到有源相控陣天線在民品市場(chǎng)中的應(yīng)用與推廣。

本文分析了民用氣象雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比更高的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)，很好地滿足了氣象雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

1 天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

根據(jù)電訊總體的要求，天線陣面主要包括：296根裂縫波導(dǎo)、4個(gè)反副瓣天線、邊側(cè)高頻箱、天線骨架、配重塊等。天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

1)在陣面大小不變的情況下，需要提高天線增益，提升天線威力，增大天線探測(cè)距離，因此需要更低的損耗要求。

2)由于高頻箱掛在陣面邊側(cè)，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，使得天線陣面受力狀況很差，而天線陣面的平面度(峰值)要求≤±1.5 mm，因此天線骨架需要設(shè)計(jì)成高剛度的結(jié)構(gòu)。

3)該天線陣面包含296根裂縫波導(dǎo)，相互位置關(guān)系為：長(zhǎng)度方向?qū)R，誤差ΔX≤±0.1 mm；寬度方向間距29 mm，誤差ΔY≤±0.1 mm。

4)該天線陣面包含37個(gè)大尺寸的8通道T/R組件，如何將37個(gè)T/R組件裝入邊側(cè)高頻箱，同時(shí)又能兼顧電纜走線，對(duì)高頻箱內(nèi)部布局提出了很高的要求。

5)由于電纜布線路徑影響天線陣面的整體外觀和電纜長(zhǎng)短，因此需要通過三維布線準(zhǔn)確地、直觀地模擬出電纜具體走線路徑和電纜長(zhǎng)度。

6)大型地面天線的吊裝方式關(guān)系到天線陣面的運(yùn)輸和架設(shè)，其吊點(diǎn)的設(shè)置影響天線陣面具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

7)樣機(jī)合格后，可能大規(guī)模推廣，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要優(yōu)先選用成熟且簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，壓縮零部件和原材料的品種和規(guī)格，節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期[4]。

2 天線陣面結(jié)構(gòu)布局

某有源相控陣氣象雷達(dá)天線為新一代C波段氣象雷達(dá)天線，它是為滿足首都機(jī)場(chǎng)天氣實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)需求而新研發(fā)的相控陣?yán)走_(dá)天線，其口徑為8.6 m × 8.6 m，由296根波導(dǎo)縫隙天線組成，為了縮短波導(dǎo)縫隙天線到高頻箱的傳輸線長(zhǎng)度，需要將高頻箱掛在陣面邊側(cè)，高頻箱內(nèi)部設(shè)備多，總質(zhì)量近1 t，而天線陣面的平面度要求又高，因此天線陣面總體布局很關(guān)鍵。通過有限元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在天線陣面中部增加桁架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)增加10個(gè)撐桿，以減小天線陣面變形，同時(shí)通過合理的陣面分塊方便吊裝和運(yùn)輸，如圖1所示。天線陣面主要包括裂縫波導(dǎo)天線、副天線、天線骨架、邊側(cè)高頻箱、中間高頻箱、配重塊等。天線骨架作為整個(gè)天線陣面的主要承力部件由天線背架、天線桁架和撐桿組成。

圖1 天線陣面結(jié)構(gòu)布局示意圖

傳統(tǒng)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)布局通常將高頻箱安裝在陣面中間位置，而且做得非常大，導(dǎo)致高頻箱成本極高。另外，拉長(zhǎng)了波導(dǎo)縫隙天線到高頻箱的傳輸線長(zhǎng)度，不僅增加了損耗，而且成本也提高不少，傳輸線越多，成本越高。與傳統(tǒng)相控陣結(jié)構(gòu)布局相比，該天線陣面結(jié)構(gòu)布局采用將高頻箱掛在天線陣面邊側(cè)，縮短了296根射頻傳輸線的長(zhǎng)度，降低了傳輸線的成本，同時(shí)將高頻箱分成相同的4塊，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了高頻箱的成本。但是該結(jié)構(gòu)形式需要增加配重塊來平衡天線重心，導(dǎo)致天線總重量的增加。

3 天線陣面結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，僅對(duì)天線骨架、邊側(cè)高頻箱、裂縫波導(dǎo)天線、三維布線和陣面吊裝進(jìn)行了敘述。

3.1 天線骨架

天線骨架作為整個(gè)天線陣面的主要承力部件，既要保證天線陣面在使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)不被破壞，又要確保天線陣面能夠保持高精度的電訊性能[5]。天線骨架由天線背架、天線桁架和撐桿組成，如圖2所示。天線背架通過精加工其安裝面保證裂縫波導(dǎo)的安裝位置精度；天線桁架采用不同規(guī)格的鋁管焊接成空間結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、剛度高，它連接天線座并支撐天線背架；撐桿采用鋼管和鋼接頭焊接而成，它支撐天線背架兩側(cè)，克服邊側(cè)高頻箱重力帶來的陣面變形，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)總裝時(shí)可以施加預(yù)應(yīng)力，作為調(diào)節(jié)天線陣面平面度的一種手段。

圖2 天線骨架示意圖

3.1.1 天線背架

天線背架是天線骨架的重要組成部分，其正面安裝裂縫波導(dǎo)天線，背面的兩側(cè)安裝邊側(cè)高頻箱和配重塊，同時(shí)背面的中間位置與天線桁架相連，因此必須具有較強(qiáng)的抗變形能力和在各種環(huán)境下的生存能力。天線背架的外形尺寸為8 270 mm × 8 584 mm(寬×高),為了滿足天線結(jié)構(gòu)的加工和運(yùn)輸要求，將天線背架在高度方向上均分為4塊。單塊框架的尺寸為8 270 mm × 2 146 mm(寬×高)，由工字鋁、槽鋁和連接板拼焊而成，具有較輕的質(zhì)量和良好的剛強(qiáng)度。焊接完成后對(duì)安裝面進(jìn)行機(jī)加工，保證天線裝配的精度要求。塊與塊之間采用定位銷和螺栓組合連接。

3.1.2 天線桁架

天線桁架是天線骨架的重要部件，用來連接天線背架和天線座，加強(qiáng)天線陣面剛度，保證天線陣面精度，尺寸約為8.3 m(高)× 2.8 m(寬)× 0.6 m(厚)，采用不同管徑的鋁管整體焊接而成，通過有限元力學(xué)仿真分析，在部件尺寸、幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛強(qiáng)度高、成本低。

3.1.3 撐桿

撐桿是天線骨架的關(guān)鍵部件，它能夠調(diào)節(jié)天線陣面平面度，支撐天線背架，保證天線陣面整體剛度。撐桿采用鋼管和鋼接頭焊接而成，鋼管直徑60 mm，壁厚3 mm，內(nèi)置螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)撐桿長(zhǎng)度。在天線陣面總裝時(shí)，根據(jù)有限元力學(xué)仿真數(shù)據(jù)分別調(diào)節(jié)10根撐桿長(zhǎng)度，施加預(yù)應(yīng)力，克服邊側(cè)高頻箱重力影響，保證天線陣面在60°工作狀態(tài)下平面度≤±1.5 mm。

3.2 邊側(cè)高頻箱

在天線陣面規(guī)模不變的情況下，為了提高天線增益，提升天線威力，增大天線作用距離，將高頻箱掛在天線背架的邊側(cè)，又稱為邊側(cè)高頻箱。它極大地縮短了傳輸線長(zhǎng)度，減小天線陣面的損耗，同時(shí)降低了成本，不過由于掛在陣面邊側(cè)，考慮到重量和穩(wěn)定性等因素，其尺寸不能做大。邊側(cè)高頻箱內(nèi)部需要安裝大量器件，其中T/R組件數(shù)量多(37個(gè))，尺寸大，給高頻箱的布局帶來不小的困難，另外還需要考慮T/R組件的散熱和維護(hù)，因此邊側(cè)高頻箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。

3.2.1 邊側(cè)高頻箱布局

與天線背架的分塊方式相似，邊側(cè)高頻箱也分為4個(gè)尺寸相同的箱體，便于掛接在天線背架上。單個(gè)高頻箱的外形尺寸為2 120 mm × 570 mm × 500 mm。根據(jù)T/R組件的尺寸和數(shù)量，高頻箱內(nèi)部雙層布局，最多可以安裝10個(gè)T/R組件，每層5個(gè)，2 層T/R組件之間用于電纜走線。

3.2.2 邊側(cè)高頻箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邊側(cè)高頻箱采用鋁板加工然后拼裝而成，其內(nèi)部均分成5個(gè)格檔，每個(gè)格檔內(nèi)可以安裝2個(gè)T/R組件(T/R組件采用盲插方式進(jìn)行安裝)，2個(gè)T/R組件之間用于電纜走線，電纜捆扎在扎線板上。高頻箱8個(gè)角上都有吊耳安裝接口，用于安裝吊耳，便于高頻箱吊裝。如圖3所示。

圖3 邊側(cè)高頻箱正面示意圖

采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱，2 層T/R組件共用風(fēng)道，風(fēng)道與壁板一體化設(shè)計(jì)，減輕質(zhì)量，保證剛度；風(fēng)道中安裝過線管，用于電纜走線，防止雨水進(jìn)入高頻箱，如圖4所示。T/R組件采用盲插對(duì)接，在保證可靠連接的同時(shí)，維修性大幅提高。

圖4 邊側(cè)高頻箱背面示意圖

3.3 裂縫波導(dǎo)天線

裂縫波導(dǎo)天線由裂縫波導(dǎo)、同軸變換、負(fù)載、波導(dǎo)托架和防護(hù)罩等組成。

天線陣面由296根裂縫波導(dǎo)天線組成，相互位置關(guān)系要求苛刻(長(zhǎng)度方向?qū)R，誤差ΔX≤±0.1 mm，寬度方向間距29 mm，誤差ΔY≤±0.1 mm)，而裂縫波導(dǎo)的長(zhǎng)度很長(zhǎng)(約8.6 m)，對(duì)溫差變化敏感，由溫差引起的長(zhǎng)度伸縮量為：

ΔL=αLΔT

(1)

式中：α為線膨脹系數(shù)；L為波導(dǎo)長(zhǎng)度；ΔT為溫差。

從材料手冊(cè)中查得鋁材的線膨脹系數(shù)約為23.2×10-6m/℃，江蘇境內(nèi)冬夏溫差取35 ℃，計(jì)算得出裂縫波導(dǎo)長(zhǎng)度伸縮量ΔL=23.2 × 10-6× 8.6 × 35 ≈ 7 mm。

296根裂縫波導(dǎo)天線在陣面中的相互位置關(guān)系直接影響天線陣面的整體電性能指標(biāo)，對(duì)后期的電訊調(diào)試和相位補(bǔ)償都有很大影響，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要保證296根裂縫波導(dǎo)天線的位置精度，同時(shí)又要避免由于裂縫波導(dǎo)伸縮引起的裝配干涉問題。

裂縫波導(dǎo)上膠接10個(gè)托架，整體安裝在天線背架上，每個(gè)托架上有一個(gè)定位銷，在與之相配的天線背架上起始位置開定位銷孔，保證296根裂縫波導(dǎo)天線在長(zhǎng)度方向上對(duì)齊；在天線背架上其余9個(gè)對(duì)應(yīng)位置開定位腰孔，保證裂縫波導(dǎo)天線在寬度方向上定位，長(zhǎng)度方向上釋放約束，避免由于裂縫波導(dǎo)伸縮引起無法裝配的問題。

3.4 三維布線

三維布線技術(shù)是根據(jù)電氣接線圖和三維結(jié)構(gòu)模型，使用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行空間立體線纜布設(shè)的技術(shù)，能很好地解決傳統(tǒng)二維布線在準(zhǔn)確性，直觀性、快捷性等方面的問題[6]，在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，均有應(yīng)用。本天線陣面中高頻箱內(nèi)部布線及外部布線關(guān)系到射頻電纜長(zhǎng)短和天線陣面的整體美觀性，因此對(duì)邊側(cè)高頻箱到裂縫波導(dǎo)天線這一段射頻電纜進(jìn)行三維布線具有重要意義。

3.4.1 邊側(cè)高頻箱內(nèi)部布線

監(jiān)測(cè)1分8功分器與T/R組件盲插連接，然后通過射頻電纜與裂縫波導(dǎo)天線連接，其箱內(nèi)布線指監(jiān)測(cè)1分8功分器到高頻箱出線口這一段射頻電纜的布線，如圖5所示。來自上層監(jiān)測(cè)1分8功分器的電纜穿過過線管，從側(cè)門出線；來自下層監(jiān)測(cè)1分8功分器的電纜直接從高頻箱底部出線。高頻箱內(nèi)部分層布線，路徑清晰，互不干擾，便于安裝。

圖5 邊側(cè)高頻箱內(nèi)部布線示意圖

3.4.2 邊側(cè)高頻箱外部布線

邊側(cè)高頻箱底部到裂縫波導(dǎo)天線距離只有150 mm左右，還需要安裝充氣管，布線空間狹小，布線相對(duì)復(fù)雜，如圖6所示。

圖6 邊側(cè)高頻箱外部布線示意圖

采用分層布線方式，合理利用空間，將充氣管、下層電纜和上層電纜分開布置，層次清晰，外形美觀，便于安裝與檢修。

3.5 陣面吊裝

大型天線陣面的吊裝方式關(guān)系到其運(yùn)輸和架設(shè)是否方便，吊點(diǎn)的設(shè)置也影響到天線陣面具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該天線陣面吊裝包括子陣吊裝和整體吊裝。

3.5.1 子陣吊裝

根據(jù)天線背架的分塊方式，將天線陣面分為4塊，又稱為1/4子陣，每個(gè)子陣單獨(dú)吊裝。吊耳固定在天線背架的節(jié)點(diǎn)處，從2 根裂縫波導(dǎo)天線之間的縫隙中穿出來，無需拆裝裂縫波導(dǎo)天線。如圖7所示。

圖7 1/4子陣吊裝示意圖

3.5.2 整體吊裝

為了避免高空作業(yè)，保障工人的人身安全，同時(shí)提高裝配效率，縮短裝配周期，天線陣面在地面進(jìn)行拼裝。拼裝完成后，在天線桁架上下兩端安裝吊耳，采用2 臺(tái)吊機(jī)整體吊裝到天線座上。如圖8所示。

圖8 天線陣面整體吊裝

4 結(jié)束語

有源相控陣?yán)走_(dá)在氣象雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越

廣闊，應(yīng)根據(jù)需要在戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和成本之間選擇最佳的規(guī)模和最適合的結(jié)構(gòu)形式。有源相控陣氣象雷達(dá)的成本還可以進(jìn)一步的降低，總體布局優(yōu)化、內(nèi)部組件模塊化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成化都是降低成本的有效途徑。本文設(shè)計(jì)的有源相控陣氣象雷達(dá)結(jié)構(gòu)，可為類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種思路，有一定的借鑒意義。