彈載W波段平板縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝實現(xiàn)

張盛華 王繼孔 霍龍軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著防空導(dǎo)彈引信天線的體制和形式不斷創(chuàng)新與發(fā)展，20世紀70年代末出現(xiàn)了增益和效率較高、副瓣電平較低的波導(dǎo)縫隙陣列單脈沖平板天線。由于平板波導(dǎo)縫隙天線具有增益高、副瓣低、饋電簡單、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[1]，在機載、星載和彈載雷達中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。而早期研究主要集中在Ka、Ku等較低頻段，近年來隨著加工技術(shù)的不斷進步，W波段平板縫隙陣列天線已成為該領(lǐng)域的研究熱點。相對Ka波段，W波段具有更短的工作波長、更寬的工作頻帶以及更強的抗干擾能力，可以在一定的孔徑中實現(xiàn)更窄的波束，從而使系統(tǒng)具備了更高的測角精度[3]。因此，W波段平板縫隙陣列天線已成為新一代精確制導(dǎo)彈載雷達的代表組件。

本文設(shè)計的彈載天線為W波段波導(dǎo)縫隙陣列平板天線，其口徑大，對精度的要求非常高，給制造工藝提出了更高的要求，研制費用及成本也大大提高。因此，本文從W波段平板天線制作方案的探索、電尺寸精度的保障措施以及制造工藝幾方面開展研究，詳細給出了該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝實現(xiàn)過程，最后對天線進行了電氣指標的測試。

1 W波段平板縫隙陣列天線的制作方案探索

1.1 3D金屬粉末打印方案

3D 打印(3D printing)是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、塑料、沙子等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，并最終疊加成型，制備出實體產(chǎn)品的技術(shù)[4]，因其具有制造周期短、適合單件個性化需求、大型薄壁件制造、產(chǎn)品開發(fā)成本低等優(yōu)點，在航空航天、汽車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。為此，我所投入了相當?shù)娜肆?、物力和精力，?D打印技術(shù)應(yīng)用于平板縫隙陣列天線的加工制作中，尤其是在平板天線的試制階段起到了較大的作用。圖1是用鋁合金粉末打印的一個外形尺寸為120mm×80mm×20mm的Ka頻段平板縫隙陣列天線。

圖1 3D打印Ka頻段平板縫隙陣列天線

經(jīng)測試，該3D打印Ka波段天線的電氣指標不能滿足設(shè)計要求。將其解剖(見圖2)并檢測相關(guān)尺寸后發(fā)現(xiàn)，分析造成電氣指標不能滿足要求的主要原因有：一是波導(dǎo)腔體尺寸精度差，超出理論電氣尺寸0.2mm；二是表面粗糙度差，Ra為12.5μm，理論要求Ra為1.6μm；三是平面度差，局部有翹曲現(xiàn)象，最大平面度為0.5mm。分析3D打印技術(shù)在Ka頻段平板縫隙陣列天線的應(yīng)用情況，可以確定以目前3D打印技術(shù)的狀態(tài)和條件，還不能滿足W波段平板縫隙陣列天線的加工制作技術(shù)要求，但可以應(yīng)用于Ka頻段以下的平板天線制作。

圖2 3D打印Ka頻段平板縫隙陣列天線解剖圖

1.2 塑料表面金屬化方案

特種高分子工程塑料和樹脂基復(fù)合材料等高性能輕質(zhì)材料，具有質(zhì)輕、高比強度、高比模量、優(yōu)異的抗腐蝕性等特點，逐步取代金屬材料來制作彈載雷達產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能器件。但塑料及樹脂基復(fù)合材料是非導(dǎo)體，不導(dǎo)電，不能直接用作雷達天線的制備，若將其進行表面金屬化處理，使之具有我們需要的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、釬焊等性能，這樣便可用于波導(dǎo)縫隙陣列天線的制作[5]。圖3為采用塑料表面金屬化工藝制作的Ka頻段平板縫隙陣列天線。其制作流程為：根據(jù)天線零件圖紙的要求，設(shè)計并加工合適的模具，注塑成型單個零部件，將成型后的塑料零部件表面鍍銀(見圖4)，并采用低溫焊工藝將各層零部件焊接成天線整體。

圖3 Ka頻段縫隙陣列天線注塑零件

圖4 Ka頻段縫隙陣列天線塑料表面金屬化

經(jīng)測試，該天線的電氣指標也不能滿足設(shè)計要求，但明顯優(yōu)于3D打印的平板天線，所以該方案作為備選方案可跟進開展進一步的研究與改進工作，但目前還不適用于W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線的制作。

1.3 精密加工焊接方案

由于精密加工精度高，尺寸穩(wěn)定，而且常用的螺釘連接方案簡單方便且成本低，因此Ku頻段以下的平板天線均采用該方案進行加工制作。但由于相鄰兩陣列波導(dǎo)的中心間距為半波長，W波段平板縫隙陣列天線無布置連接螺釘?shù)奈恢茫虼?，W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線不適合采用螺釘連接方案進行加工制作，為此我們采用相對更成熟可靠的精密加工焊接連接方案來制作該W波段平板縫隙陣列天線。

2 W波段平板縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 W波段天線的電氣結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)天線增益、副瓣電平、電壓駐波比等電氣指標的設(shè)計要求，經(jīng)仿真計算得到W波段平板縫陣列天線的電氣模型，如圖5所示。該天線分為三層。最上面一層為縫隙輻射層，輻射單元為波導(dǎo)寬邊上所開的縫隙，這些縫隙按照一定的規(guī)則排列。輻射層上的每個縫隙輻射單元所能接收的信號能量通過中間層耦合到第三層，因此縫隙陣列天線的中間層按其所起的作用也稱之為傳導(dǎo)層。中間層與第三層屬于縫隙平板天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，在饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號的能量傳輸與分配。

圖5 W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線電氣仿真模型圖

2.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

根據(jù)天線的組成及所選制作方案，將天線的電氣模型進行合理分層，如圖6所示，由四層平板結(jié)構(gòu)組成。第一層是輻射縫隙層，厚0.5mm，上面分布有兩千多個寬0.33mm，長約2mm的縫隙；第二層上面腔體是輻射波導(dǎo)，下面腔體是饋電波導(dǎo)，上下層之間有許多饋電縫隙，厚2.1mm； 第三層是耦合縫隙層，厚0.5mm；第四層的上面腔體是波導(dǎo)H-T功分網(wǎng)絡(luò)，背面是電氣和結(jié)構(gòu)的接口，厚度為7.8mm，天線的總厚度為10.9mm。

圖6 W波段平板縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)組成示意圖

第一層輻射板，第三層饋電板厚度均為0.5mm，只有縫隙結(jié)構(gòu)相對簡單，第二層及第四層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)以第二層波導(dǎo)陣列層為例來說明W波段平板縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，如圖7所示。

波導(dǎo)陣列層是薄壁腔體結(jié)構(gòu)，在進行天線波導(dǎo)壁厚設(shè)計以及加強筋尺寸設(shè)計與分布時，應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)和電氣的要求，同時還要考慮到重量、機加工藝和焊接工藝等諸多因素。材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、排氣孔及防錯定位等細節(jié)設(shè)計主要沿用Ka波段波導(dǎo)裂縫平板天線的設(shè)計規(guī)范及要點。由于W波段頻率是Ka波段的3倍，波長是Ka波段的三分之一，精度要求更高，因此主要確定尺寸精度及形位公差的設(shè)計。在該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作中，要求各波導(dǎo)口徑和裂縫的尺寸精度為±0.01mm，位置精度為±0.02mm，所有波導(dǎo)腔體和裂縫的光潔度為0.8μm，各層的平面度和平行度為0.04mm，各波導(dǎo)的直線度為0.04mm。

綜合各項要求，通過設(shè)計計算和單個零部件的精密加工制作，最終按輻射板、陣列波導(dǎo)、饋電板、功分網(wǎng)絡(luò)一層層疊加焊接而成天線整體。為了避免加工引起的天線尺寸的變化，所有尺寸以及安裝接口都在焊接前一次加工到位。最終天線口徑為Φ150mm，總厚度為10.9mm，重量為230g。

3 W波段平板縫隙陣列天線工藝分析

由于W波段頻率更高，波長更短，對制造誤差特別敏感，對零件加工精度、焊接質(zhì)量要求更高，因此在Ka波段平板裂縫天線加工工藝的基礎(chǔ)上重點做了以下工作：

1)制定W波段平板裂縫天線制造工藝流程，同時確定精密加工和真空釬焊為關(guān)鍵工序，并制定相應(yīng)的關(guān)鍵工藝流程，如圖8所示。

圖8 W波段平板縫隙天線制造重點工藝流程

2)在W波段平板天線零件加工中需使用直徑更加細小的銑刀(￠0.3)進行加工，刀具的轉(zhuǎn)速更高(42000r/m以上)，加工過程中同樣規(guī)格不同品質(zhì)的刀具會對加工零件的表面質(zhì)量、精度穩(wěn)定性和加工后殘留毛刺產(chǎn)生較大的影響，這些結(jié)果都會影響平板天線質(zhì)量的穩(wěn)定性，因此選取日本OSG及德國DIXI等高速銑削刀具進行加工并確定最佳方案。

3)刀具夾緊方式一般影響其運動的穩(wěn)定性，減少徑向、軸向刀具跳動誤差。在微小刀具使用方面，采用熱縮刀柄夾緊方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈簧夾頭夾緊方式。

4)為了控制漏焊、焊料流入腔體、表面出現(xiàn)明顯釬料揮發(fā)殘留、縫隙陣平面度等選取非金屬石墨碳板作為焊接工裝基材。

5)通過多次試驗，調(diào)整并優(yōu)化，使得焊接溫度曲線、真空度及濕度等各項焊接參數(shù)達到最優(yōu)。

4 測試結(jié)果

圖9為設(shè)計制作的W平板縫隙陣列天線方向圖的仿真及測試對比，測試數(shù)據(jù)分別為：天線的副瓣25dB，增益39dB，駐波小于1.8。從測試結(jié)果可知，該天線的各項電性能指標均滿足設(shè)計要求。

圖9 W波段平板縫隙陣列天線仿真及測試方向圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)某彈載W波段平板縫隙陣列天線的設(shè)計要求，對該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝實現(xiàn)開展研究。為保證電氣尺寸精度及制造成本，對平板縫隙陣列天線的制造方案進行了探索，并從滿足W波段平板縫隙天線的機械加工工藝性和焊接工藝性兩個主要方面，詳細介紹了該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝實現(xiàn)過程。最后，對該W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線進行了電氣指標測試，測試結(jié)果表明該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工工藝合理可行，滿足某彈載W波段平板縫隙天線的設(shè)計要求。