某全金屬陣列天線陣面的集成制造工藝技術

朱麗娜

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

超寬帶是一種以占空比很低的沖激脈沖作為信息載體的無載波通信技術。超寬帶具有傳輸速率高、發(fā)射功率低、多極分辨率高、電磁兼容性好、系統(tǒng)安全性好及成本低等優(yōu)勢，因此隨著通信系統(tǒng)和移動平臺的發(fā)展，社會對超寬帶天線的需求將不斷增加[1]。Vivaldi天線作為一種典型的超寬帶天線，具有端射、工作頻帶較寬、增益較高、方向圖波束對稱等特點，此外它還具有剖面低、質(zhì)量輕、易于制作、便于共形、便于和微波電路集成等優(yōu)點，在微波和毫米波波段得到廣泛的應用[2]。本文論述的全金屬陣列天線陣面采取了有源相控陣體制的金屬Vivaldi天線陣列，具有超寬帶、低剖面等特點，可以實現(xiàn)雷達、通信等多種功能。

1 天線的結(jié)構形式及工藝性分析

全金屬陣列天線陣面口徑尺寸約為8 460 mm(水平)×3 994 mm(垂直)，天線振子分布安裝在反射板上，反射板安裝在天線骨架上。天線陣面布局圖如圖1所示。

圖1 天線陣面布局圖

天線振子采用金屬Vivaldi結(jié)構形式，尺寸為200 mm(寬)×405 mm(高)×8 mm(厚)，質(zhì)量要求小于1 kg，為了減重，天線振子內(nèi)部設計了大量的減重孔。工藝上要保證2個相鄰天線振子裝配后形成的輻射縫最小寬度尺寸為3.2 mm，裝配精度要控制在±0.2 mm以內(nèi)，同時還要保證天線振子制造的一致性和密封防護要求。

反射板整體外形尺寸為8 460 mm(長)×3 994 mm(寬)×16 mm(厚)，通過螺接的方式安裝在天線骨架上，同時反射板上加工了大量的安裝接口和孔位，且精度高(形位精度±0.05 mm)，對于機械加工具有較高的要求。

2 天線陣面工藝性設計及制造

2.1 天線振子的設計及制造

本天線陣面共有672個天線振子，按42(方位)×16(俯仰)的形式排列，天線振子方位向間距為200 mm，俯仰向間距為250 mm。天線振子采用全金屬Vivaldi結(jié)構形式，尺寸為200 mm×405 mm×8 mm。經(jīng)過電訊仿真優(yōu)化設計和結(jié)構優(yōu)化設計，綜合考慮天線振子制造、安裝要求，電訊意義上的天線振子由2個結(jié)構意義上的天線振子裝配組成，如圖2所示。

天線振子由支撐板、安裝板、振子、聚四氟乙烯支撐塊組成，結(jié)構尺寸為200 mm(長)×405 mm(寬)×32 mm(厚)，其中振子本體厚度為8 mm。振子主體采用定位銷進行定位，并采用螺釘緊固在安裝板上，支撐板安裝在振子本體上，根據(jù)設計要求，相鄰兩個天線振子之間形成的輻射縫最小寬度尺寸為3.2 mm，同時公差要控制在±0.2 mm以內(nèi)。為防止輻射縫積水造成天線陣子短路，設計時用聚四氟乙烯板填充輻射縫。圖2為天線振子在陣面上的安裝示意圖。連接器安裝在底板上，穿過底板預留的孔與振子連接，天線振子與連接器內(nèi)導體連接處需要進行密封防水設計，本文采用局部灌膠的工藝方式進行處理，同時連接器選用密封防水型連接器[3]。

圖2 天線振子結(jié)構示意圖

考慮到質(zhì)量要求，天線振子選用8 mm厚的5A06鋁板，安裝板選用20 mm厚的5A06鋁板，兩者都采用高速銑精密加工成形，精密加工方法主要包括去應力熱處理和粗精銑，其中去應力熱處理是去除零件加工過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力，避免精銑后的尺寸變形。本文采用真空吸盤裝夾方式和數(shù)控精密銑削方法加工零件外形、減輕腔及安裝孔、定位孔時，應保證定位孔的定位精度優(yōu)于±0.03 mm。結(jié)合零件材料強度低、結(jié)構形式剛性較弱的特點，采用小切深、快進給的高速切削加工技術，避免零件在加工過程中的熱變形及切削力變形。加工時除了要選用高速加工設備，同時還應采用精密零件程序設計技術、程序仿真技術、切削參數(shù)優(yōu)化技術等手段來保證零件需要的加工精度。

2.2 反射板的設計與制造

反射板采用實體板的結(jié)構形式，是天線陣面的主承力件，整個陣面由14塊反射板拼接而成，單塊反射板尺寸為1 210 mm×2 000 mm×16 mm，結(jié)構設計圖如圖3所示。天線反射面上需要加工天線振子安裝接口、天線罩安裝接口、連接器接口及減重凹臺等。

圖3 天線反射板結(jié)構設計圖

反射板需要在大型數(shù)控機床上整體加工成形，重點是保證各個安裝接口的形位精度和加工后整體平面度滿足設計要求。反射板工藝方案設計的關鍵是零件加工過程的均勻加載和翻轉(zhuǎn)、運輸過程的保形，采取的技術措施主要有：設計高平面度工裝平板，采用螺釘密集壓緊方式實現(xiàn)銑削過程的均勻可靠裝夾；設計保形工裝、專用吊具、運輸保形工裝，控制零件翻身、吊裝、運輸?shù)冗^程的變形；采用高速銑粗加工和精加工的方式實現(xiàn)低應力、微變形材料切削，加工過程中通過合理設置工藝裝夾位置，以及多次不同的工藝裝夾方法，實現(xiàn)零件加工過程的穩(wěn)定，受力均勻；采用高精度墊板固定，分次切削逐漸實現(xiàn)一面高精度成型，并同時完成安裝孔加工和兩面共用測量基準加工。反射板加工工藝流程如圖4所示。

圖4 反射板加工工藝流程圖

2.3 天線的裝配工藝及密封設計

為了保證天線振子之間輻射縫間距和天線振子懸臂處的剛強度及垂直度要求，在天線振子上增加了3個介電常數(shù)較低的聚四氟乙烯板作為支撐材料，同時兼顧振子懸臂處的密封。在天線的裝配工藝流程中，裝配順序也很重要，首先應通過定位銷定位，將天線振子安裝到安裝板上，再安裝固定支撐板，然后將天線振子安裝到反射板上，其中安裝兩個相鄰天線振子時，螺釘暫不擰緊，采用游標卡尺測量間隙，保證間隙滿足(3.2±0.2) mm的要求，依次擰緊螺釘，直到所有天線振子安裝測量完畢，最后安裝聚四氟乙烯支撐塊，保證天線振子懸臂處的剛性。

天線振子與連接器內(nèi)導體連接處采用密封防水設計，防止雨水侵蝕導致電性能衰減，將聚四氟乙烯材料支撐板設計成膠池，用703硅橡膠灌封，灌封部位如圖2所示。703硅橡膠的特點是常溫固化、富有彈性、使用方便安全，并具有優(yōu)良的耐老化、防潮和粘接性能。連接器選用防水密封連接器，連接器底部有密封圈，安裝在安裝板上后，可保證連接器密封可靠，天線振子連接器和電纜連接器之間的連接采用螺紋連接方式，外表面加熱縮套管保護[4]。

2.4 天線振子輻射縫寬度精度分析與控制

主陣面天線由反射板、天線振子、連接板等裝配而成，如圖5所示，相鄰兩個天線振子之間的輻射縫寬度尺寸為3.2 mm，公差要求控制在±0.2 mm以內(nèi)。

圖5 主陣面天線裝配圖

天線振子輻射縫寬度的誤差主要由以下幾個原因造成：

1)反射板上的定位孔加工誤差。

反射板上用于天線振子定位的定位銷孔是通過機械加工得到的，定位銷孔之間的距離誤差δX1應控制在±0.03 mm以內(nèi)，如圖3所示。

2)天線振子加工誤差。

天線振子由天線振子本體和安裝板組成，本體與安裝板之間通過定位銷定位安裝，如圖2、圖6所示。天線本體寬度方向的加工誤差δX2可控制在±0.03 mm，天線本體的2個定位銷孔關于天線本體寬度方向中心線之間的對稱度δX3可控制在±0.03 mm以內(nèi)。天線振子安裝板上有2組定位銷孔，一組(記為第一組)用于與天線振子本體與安裝板之間的定位，另一組(記為第二組)用于天線振子與槽鋁之間的定位。安裝板上第二組定位銷孔的對稱線關于第一組定位銷孔的對稱線的對稱度δX4可控制在±0.03 mm以內(nèi)。

圖6 天線振子和安裝板結(jié)構設計圖

3)天線振子裝配誤差。

天線振子裝配誤差除了天線振子本體與安裝板之間的裝配誤差，還包括天線振子安裝到反射板時的裝配誤差。由于天線振子本體與安裝板之間和天線振子與反射板之間都是通過定位銷定位，因此通過成熟的裝配工藝，可以使天線振子本體與安裝板之間的裝配誤差δX5控制在±0.03 mm，天線振子安裝到反射板時的裝配誤差δX6控制在±0.03 mm。

采用完全互換法解尺寸鏈時，天線振子輻射縫(由結(jié)構意義上的2個相鄰天線振子安裝后形成)寬度的誤差δX為以上誤差的累積[5]，即：

δX=δX1+δX2±δX3±δX4+δX5+δX6=(±0.03)+(±0.03)±(±0.03)±(±0.03)+(±0.03)+(±0.03)=±0.18≤±0.2(mm)經(jīng)過誤差分解計算分析可知，天線振子輻射縫寬度的誤差約±0.18 mm，滿足小于±0.2 mm的指標要求。

3 結(jié)束語

本文論述的全金屬陣列天線裝配成功后，按照GB/T 21195—2007《移動通信室內(nèi)信號分布系統(tǒng)天線技術條件》測試了天線的增益、天線方向圖和波瓣寬度、電壓駐波比，性能均滿足使用要求。該天線的成功研制可為以后相似結(jié)構的天線加工提供參考。