基于VTS雷達的波導(dǎo)裂縫天線結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

李成，丁飛

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088）

0 引 言

隨著港口建設(shè)的快速發(fā)展和水域交通的不斷增長，用于對水域等目標的監(jiān)控管理的產(chǎn)品需求日益迫切，為此，國內(nèi)各大中型港口的海事部門都引進了船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services，VTS)。雷達子系統(tǒng)作為VTS的一個重要的組成部分，是交通監(jiān)視及對船舶運動等大量信息進行搜集的主要手段[1]。雷達天線作為雷達子系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分，其本身的結(jié)構(gòu)精度、強度、安全性均有較高的要求；同時其應(yīng)用主要面對港口環(huán)境，還需具備高抗風能力和高防護性能等特性[2]。

在雷達領(lǐng)域，雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝是雷達研制過程中的重要環(huán)節(jié)，它對保證雷達的優(yōu)良性能起著重要的作用。精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計是雷達性能和質(zhì)量的重要保證[3]。本文通過兩種波導(dǎo)裂縫天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化設(shè)計與工程實踐，以實現(xiàn)雷達天線剛度好、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡潔、維護方便等目標。

1 波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

波導(dǎo)裂縫天線主要包括兩大部分結(jié)構(gòu)：第一部分為饋電網(wǎng)絡(luò)部分，其主要實現(xiàn)電磁波的收發(fā)功能；第二部分為天線框架部分，作為第一部分的載體，其功能為支撐第一部分并安裝與其相關(guān)的附件[4]。對于饋電網(wǎng)絡(luò)部分中的關(guān)鍵部分波導(dǎo)裂縫陣面來說，其天線陣面的平面度影響著天線的增益、副瓣、指向精度等電訊指標，是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要指標，而波導(dǎo)裂縫本身沒有足夠的剛度，所以天線陣面的平面度主要依靠其載體天線框架的剛度來保證。同時天線應(yīng)能適應(yīng)各種環(huán)境條件與戰(zhàn)爭條件，應(yīng)能防腐蝕、耐熱、耐低溫等。先進的制造工藝支撐著雷達技術(shù)的發(fā)展，是雷達技術(shù)發(fā)展的有效保證。

2 A方案整體鈑金折彎的骨架結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)方案介紹

該方案整體圍繞饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固定與支撐進行方案設(shè)計。方案中饋電網(wǎng)絡(luò)包括波導(dǎo)裂縫、極化格柵；內(nèi)骨架包括上翼板、下翼板、側(cè)翼板、支撐板；外骨架則包括天線罩、防護罩、側(cè)封板；通過外骨架和內(nèi)骨架來為天線提供足夠的強度與剛度，以保證饋電網(wǎng)絡(luò)的安裝精度。該方案天線結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

為滿足雷達天線輕型化要求，內(nèi)骨架結(jié)構(gòu)件均采用薄鋁板整體折彎結(jié)構(gòu)，支撐板、上翼板、下翼板及側(cè)翼板通過鉚接方式連接與固定；其中上翼板與下翼板之間間隙構(gòu)成用于固接波導(dǎo)裂縫和極化格柵；同時通過支撐板將內(nèi)骨架固定于防護罩內(nèi)部。外骨架則采用復(fù)合材料整體成型，其中天線罩為滿足一定電性能要求的半圓弧形結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料工件，防護罩為U形結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料工件；所有工件外表面均涂覆疏水性潤滑材料，以利于減少風阻和雨水造成的信號傳輸損失，保證產(chǎn)品全天候正常工作。該方案天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 A方案天線結(jié)構(gòu)組成圖

2.2 方案的結(jié)構(gòu)特點

方案的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）該方案將傳統(tǒng)箱體的頂板、底板及防風罩設(shè)計成一體式整件結(jié)構(gòu)，加強整體結(jié)構(gòu)剛度的同時進一步提高了天線箱體的密封性，有效避免了外部粉塵、濕氣對內(nèi)部器件的腐蝕 與 損壞；具備結(jié)構(gòu)更為緊 湊 簡潔、便于安裝的特點。

圖2 A 方案天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）方案中上翼板與下翼板形成喇叭狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的兩端布置有側(cè)翼板，在進一步加強該結(jié)構(gòu)剛度的同時，保證對饋電網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信號的定向傳導(dǎo)，上翼板及下翼板配合后的窄口端一側(cè)利用設(shè)有的第一臺階夾緊和緊固饋電網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射端，方便而實用；另一側(cè)則利用翻邊結(jié)構(gòu)與相對應(yīng)連接的板面進行配合，進而實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)、各翼板及箱體的整體化固接構(gòu)造。

3）方案中天線罩及防風罩均為半圓弧形結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料工件，其表面涂覆有疏水性潤滑材料，以利于減少雨水造成的信號傳輸損失和降低風阻力，保證產(chǎn)品全天候正常工作。

4）方案具備質(zhì)量輕型化、結(jié)構(gòu)簡潔且實用、便于安裝維護、制造周期與成本更低的優(yōu)點，有利于批量化生產(chǎn)，在雷達通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 B方案工字梁骨架的結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)方案介紹

方案中骨架截面采用工字型結(jié)構(gòu)，因工字型結(jié)構(gòu)抗彎性優(yōu)良，剛度高，且結(jié)構(gòu)簡便，安裝空間大，便于饋電網(wǎng)絡(luò)的安裝與維護。方案中饋電網(wǎng)絡(luò)包括波導(dǎo)裂縫、極化格柵；內(nèi)骨架包括上翼板、下翼板、側(cè)翼板、支撐板及加強筋；外骨架則包括工字梁、天線罩、防護罩、側(cè)封板；其中工字梁可以采用整體成型方式制造，也可采用角鋁與薄鋁板連接而成，需依據(jù)產(chǎn)品的批量與成本綜合考慮，方案采用第二種方式進行介紹。內(nèi)骨架、外骨架均采用鋁件鉚接結(jié)構(gòu)形式，骨架內(nèi)部鉚接筋板以增加其剛度，為天線提供足夠的強度與剛度，保證天線在外載荷作用下可以穩(wěn)定可靠地工作。方案天線結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 B方案天線結(jié)構(gòu)組成

該方案從骨架剛度設(shè)計分析，骨架既要滿足必需的剛度和強度，以確保天線正常工作，又要保證安裝的空間能夠安裝天線，所以在剛度理論計算上，綜合了以上兩種要求，取骨架橫截面為工字型結(jié)構(gòu)設(shè)計。工字梁骨架制造材料采用質(zhì)輕的鋁板加減重孔的設(shè)計形式，整個結(jié)構(gòu)更加牢固，既保證了強度，又保證了剛度。工字梁骨架為頂板、底板、豎板通過角鋁進行鉚接而成，并輔以加強筋以增加板面的剛度；內(nèi)骨架通過極化格柵的安裝面整體安裝于豎板中間的卡槽內(nèi)，并通過上、下翼板的彎角固定于加強筋上；保證了天線整體的封閉性連接，提高了饋電網(wǎng)絡(luò)喇叭口的剛度和強度。還有天線罩、防護罩均為滿足一定電性能要求的半圓弧形結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料工件，其工件外表面均涂覆疏水性潤滑材料，以利于減少風阻和雨水造成的信號傳輸損失，保證產(chǎn)品全天候正常工作。方案天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 B方案天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)方案特點

方案的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方 面：1）方案采用工字型骨架結(jié)構(gòu)，很好地利用了其結(jié)構(gòu)特性，即在相同截面的型材中，工字形型材的慣性矩最大，即剛度強；滿足天線骨架質(zhì)量輕、剛度好等需求。2）方案在安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮便于安裝和保證尺寸精度要求，采用一側(cè)安裝設(shè)計，有利于安裝調(diào)試，非常便利，同時對安裝精度要求較高處采用機加件來保證精度，減去了裝配中的校對調(diào)試，使結(jié)構(gòu)設(shè)計精度和加工難度大大降低。3）方案具備構(gòu)造緊湊、便于維護、簡便實用、制造周期短等優(yōu)點，有利于批量化生產(chǎn)，能有效滿足雷達天線結(jié)構(gòu)性能需求。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的筋板框架天線箱體結(jié)構(gòu)的內(nèi)層支撐體系所帶來的諸如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)量較多、質(zhì)量較重、制造周期長、批產(chǎn)效率低等缺陷，本文提出兩種結(jié)構(gòu)方案對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計與工程實踐，較好地驗證了方案的可制造性、可維護性；在滿足雷達天線結(jié)構(gòu)性能指標的前提下，做到了結(jié)構(gòu)簡潔、零部件數(shù)量少、整體密封性好且適合批量生產(chǎn)、外形美觀等優(yōu)點。為雷達天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新的改進思路，并為實際的工程應(yīng)用提供了新的解決方案。