某型Ka波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳 良 龔 偉 劉永寧 王家明 胡城鎮(zhèn)

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230009)

0 引言

Ka波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(簡稱Ka連續(xù)波雷達(dá))是一種新研制的測云雷達(dá)。該雷達(dá)工作于Ka波段，采用雙極化技術(shù)和線性調(diào)頻連續(xù)波體制，利用云滴粒子群對電磁波的散射作用和退極化效應(yīng)，實現(xiàn)對本場上空20km范圍內(nèi)云的高密度、精細(xì)化探測，實時獲取探測范圍內(nèi)云目標(biāo)的位置、分布、強(qiáng)度、云滴粒子群相對于雷達(dá)的平均徑向運(yùn)動速度和速度譜寬以及線性退極化比等相關(guān)信息。

Ka連續(xù)波雷達(dá)具有峰值功率低、距離分辨率高、無距離模糊、探測盲區(qū)短、設(shè)備相對簡單等技術(shù)特點(diǎn)，主要就是利用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有的高精細(xì)測距、測速能力對云目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)化探測和研究。該雷達(dá)作為一個低功率、高分辨率的微波遙感設(shè)備在氣象探測方面應(yīng)用優(yōu)勢明顯，對開展相關(guān)氣象研究具有重要的積極意義。

文中將在前人研究工作基礎(chǔ)之上，采用自頂而下的設(shè)計流程，并針對某型Ka連續(xù)波雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的天線骨架輕量化設(shè)計，高精度天線設(shè)計，高疏水性天線罩設(shè)計，環(huán)控設(shè)計進(jìn)行論述，采用先進(jìn)的測量儀器和仿真分析軟件，保障了雷達(dá)的高精度指標(biāo)要求和環(huán)控性能要求。

1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

1.1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

1)工作溫度：-40℃～+50℃(室外)；

2)儲存溫度：-50℃～+70℃；

3)抗風(fēng)能力：工作風(fēng)速 ≤35m/s；

4)天線口徑：550mm，天線中心距750mm；

5)天線主反射面面精度和副反射面面精度高，天線同軸度好；

6)重量輕、方便運(yùn)輸、易架設(shè)。

1.2 雷達(dá)設(shè)備組成

Ka連續(xù)波雷達(dá)由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩部分組成，室內(nèi)設(shè)備為一臺高性能計算機(jī)，室外設(shè)備由4個部分組成：天線骨架、兩個卡賽格倫天線(分別為發(fā)射天線和接收天線)、電子設(shè)備(包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理、控制組件和電源組件)、兩個天線罩。

1.3 雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

在滿足電訊指標(biāo)要求前提下，采用簡潔的結(jié)構(gòu)形式及成熟的工藝技術(shù)，以降低研發(fā)成本及風(fēng)險，縮短研制周期；采用輕型化材料，減輕雷達(dá)整機(jī)重量，減小雷達(dá)外形尺寸，以方便運(yùn)輸和架設(shè)，在上述原則的指導(dǎo)下，天線骨架主體結(jié)構(gòu)使用鋁型材拼接構(gòu)型，在其外部安裝蒙皮結(jié)構(gòu)以增加防護(hù)性能；卡塞格倫天線使用ZL101A低壓鑄造成型，精加工后分別安裝于天線骨架的頂部平臺之上，發(fā)射天線下部骨架內(nèi)安裝發(fā)射機(jī)和電源組件，接收天線下部骨架內(nèi)安裝接收機(jī)、信號處理和控制組件。天線罩采用圓筒結(jié)構(gòu)，側(cè)壁為鋁合金板焊接而成，頂部為高透波材料，雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 Ka連續(xù)波雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

雷達(dá)的外形尺寸為1500×700×1100(長×寬×高，單位mm)，小型貨車即可完成轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，雷達(dá)總重量約60kg，短距離可以采用人工搬運(yùn)；雷達(dá)陣地表面平整度要求不高，一般的水泥混凝土地面或者能經(jīng)受雨水沖刷的土質(zhì)地面即可滿足要求，架設(shè)時可以利用天線骨架底部的4根萬向調(diào)節(jié)支腿進(jìn)行調(diào)平，通過觀察天線骨架上縱橫布置的兩根水平儀來檢驗天線架設(shè)的水平度。

2 雷達(dá)結(jié)構(gòu)分部設(shè)計

2.1 天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前大多數(shù)天線骨架采用焊接或鑄造的方法加工，輕量化雷達(dá)多采用鋁合金材料，然而焊接或者鑄造對外協(xié)廠家的生產(chǎn)技術(shù)要求較高，不利于成本的控制。利用工業(yè)鋁型材拼接的方法加工，工藝簡單且成本低廉。工業(yè)鋁型材材質(zhì)為6063，表面經(jīng)過陽極銀白氧化處理，美觀且抗腐蝕性能優(yōu)異，鋁型材之間使用角件、T型螺栓和彈性螺母連接，鋁型材自帶安裝槽，除按要求尺寸切割成不同長度外，無需進(jìn)行其他加工。

依據(jù)設(shè)計要求將天線骨架分為三個部分：支撐框架、發(fā)射天線框架、接收天線框架，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示：圖中天線安裝板和水平儀安裝板表面同基準(zhǔn)加工，雷達(dá)架設(shè)過程中通過調(diào)節(jié)底部的萬向支撐，使得縱橫水平儀水泡居中，接收天線和發(fā)射天線在同一水平面且指向相同。

圖2 天線骨架示意圖

天線安裝板和水平儀安裝的平面度和平行度要求高，使用三坐標(biāo)儀進(jìn)行檢測。

2.2 卡賽格倫天線設(shè)計

發(fā)射天線和接收天線結(jié)構(gòu)基本相同均包括主反射面、饋源、波導(dǎo)、副反射面、副面支撐五個部分，見圖3所示，饋源和副反射面安裝于主反射面的中心軸線上，三者的同軸度要求很高。主反射面與波導(dǎo)，波導(dǎo)與饋源之間均設(shè)計有定位結(jié)構(gòu)，保證三者之間的同軸度達(dá)到要求。副面支撐安裝時，需制作專用對心工裝，副面支撐安裝后，副反射面安裝于中心孔中，從而實現(xiàn)主副反射面同軸。

主反射面口徑550mm，厚度120mm，見圖4所示，因減重需要，整個反射面除去加強(qiáng)筋外，其余厚度在5mm～6mm之間。主反射面若使用鋁板機(jī)加工，則加工量大、作業(yè)時間長，不利于批量化生產(chǎn)；對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，利用鑄造的加工方法效率高，易批量生產(chǎn)。主反射面鑄造成型后再對反射面和底部固定面的精加工處理，低壓鑄件內(nèi)部致密、孔隙數(shù)量少[1]能夠很好的保證精加工后的面精度。

圖4 反射面結(jié)構(gòu)示意圖

Ka連續(xù)波雷達(dá)屬于毫米波雷達(dá)，天線的精度要求很高，依據(jù)波長對反射面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主反射面共有1373個檢測點(diǎn)，副反射面(口徑50mm)共有139個檢測點(diǎn)，如此多的檢測點(diǎn)，必須借助高精度的自動化檢測儀器，三坐標(biāo)儀可以勝任此工作。天線結(jié)構(gòu)中的反射面與饋源、饋源與副反射面、主副反射面之間的同軸度亦可以使用三坐標(biāo)儀進(jìn)行測量。

2.3 天線罩設(shè)計

天線罩是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，它可以在雷達(dá)天線的周圍形成一個封閉的空間，以保護(hù)雷達(dá)天線系統(tǒng)免受大氣環(huán)境的直接作用。天線罩的設(shè)計應(yīng)考慮雷達(dá)的頻段、天線的結(jié)構(gòu)形狀、電磁波入射角、透波率、結(jié)構(gòu)力學(xué)、疏水性等因素。

2.3.1 天線罩電性能設(shè)計

鑒于此次設(shè)計的Ka連續(xù)波雷達(dá)天線口為550mm，設(shè)計內(nèi)徑570mm的圓柱形天線罩，連續(xù)波雷達(dá)的工作特性需求增加發(fā)射天線和接收天線的隔離度，故天線罩的側(cè)壁使用金屬材質(zhì)，頂部選用高透波性的非金屬材質(zhì)。

天線罩側(cè)壁選用鋁合金材質(zhì)可以大大減輕天線罩的重量，側(cè)壁使用厚度2mm的防銹鋁合金板，卷制成圓筒形，對接邊開坡口使用氬弧焊焊接，焊縫與板面平齊。天線罩側(cè)壁上下面均焊接圓形法蘭盤，上部安裝天線罩頂蓋，下部與天線骨架固定，固定面均安裝密封墊圈，以防止雨水進(jìn)入。

天線罩頂蓋材料選擇首先要考慮電性能，必須具有良好的透波性，其“介電常數(shù)”和“介電損耗角正切”這兩個參數(shù)值要小，Ka連續(xù)波雷達(dá)的天線罩透波率需大于95%，結(jié)合頂蓋的安裝方式和使用要求，頂板材料選用聚四氟乙烯板，其介電常數(shù)ε=2.2，介電損耗角正切tgδ=0.006。

天線罩頂板透波率│T│2受厚度d，入射角θ、反射率Γ、熱損耗Q等影響[1]。頂板厚度d按公式(1)計算得

d=nλ/[2(ε-sin2θ)1/2]

(1)

其中n—整數(shù)，n=1,2,3…；

ε—介電常數(shù)；

λ—電磁波波長；

θ—電磁入射角，當(dāng)電磁波垂直于頂板時θ=0°(實際應(yīng)用中入射角0～35°范圍內(nèi)，對天線罩性能影響很小，計算時θ均可以取0°)。

Ka連續(xù)波雷達(dá)波長λ為8.6mm，計算可得d=2.9mm，頂蓋懸空部位直徑為570mm，厚度2.9mm的聚四氟乙烯板撓度變形較大，故頂蓋厚度選用5.8mm。

頂蓋反射率Γ由公式(2)估算得到。

│Γ│2=[(ε-1)ΠΔd/λ]2

(2)

其中│Γ│2為天線罩反射率；Δd為厚度工藝誤差，頂蓋板使用10mm厚聚四氟乙烯板精加工，加工誤差取0.2mm。

經(jīng)公式(2)計算得│Γ│2=0.77%。

頂蓋板熱損耗Q由公式(3)估算得

Q=2Πdε1/2tgδ/λ

(3)

其中Q為天線罩熱損耗；tgδ為介電損耗角正切。

經(jīng)公式(3)計算得Q=0.038。

頂蓋板透波率│T│2有公式(4)估算得

│T│2=(1-Q)(1-│Γ│2)

(4)

經(jīng)公式(4)計算得│T│2=95.5%滿足電性能要求。

2.3.2 天線罩疏水設(shè)計

Ka連續(xù)波雷達(dá)屬于毫米波雷達(dá)，水對毫米波具有很高的介電常數(shù)和損耗正切角[3]，當(dāng)雨水造成天線罩表面積水時，甚至很薄的水膜都會大大增加信號傳輸損耗，其增加值與水膜厚度成正比，要減弱這種影響，需提高天線罩表面的疏水性，即水在天線罩表面不易沉積。圖5比較了普通天線罩和疏水天線罩表面在不同雨量、頻率下與傳輸損耗間的關(guān)系，隨著雨量的增加，雨水影響變大，雨量越大疏水表面對傳輸損耗的改善愈顯著。

圖5 信號傳輸損失與降雨速率及信號頻率的關(guān)系

表面疏水性的含義為水在物體表面是呈珠狀的，而不是鋪展開的，具體的參照標(biāo)準(zhǔn)為水珠表面接觸角θ，如圖6所示，θ>90°，表明疏水；θ<90°，表明不疏水。

圖6 水珠表面接觸角

影響固體表面疏水性的主要因素是材料的表面自由能，水珠接觸角隨著表面自由能的降低而增大[2]。聚四氟乙烯板表面的自由能非常低，水對其接觸角為114°[3]，即為疏水表面。雨水在聚四氟乙烯板表面凝結(jié)成水珠后，當(dāng)表面傾斜一定角度，水珠更易流動，不易沉積，從而保證了Ka連續(xù)波雷達(dá)在雨天可以正常工作，圖7為天線罩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 天線罩結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 雷達(dá)環(huán)控設(shè)計

雷達(dá)工作環(huán)境溫度為：-40℃～+50℃，電子設(shè)備在高溫下性能降低，為了避免雷達(dá)性能的下降，合理的環(huán)控設(shè)計非常重要。Ka連續(xù)波雷達(dá)中的電子設(shè)備包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理、監(jiān)控組件、電源，工作時發(fā)射天線罩的熱量為115W，接收天線罩的熱量為85W。電子設(shè)備中發(fā)射機(jī)熱耗最高，其表面熱流密度最大約為0.1W/cm2，可以采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式[4]，經(jīng)計算，EBM的AC-4400-FNN型號軸流風(fēng)扇可以滿足使用要求，于是在發(fā)射天線和接收天線的天線罩內(nèi)各安裝一部該型號的風(fēng)扇已達(dá)到散熱要求。

2.5 雷達(dá)防護(hù)設(shè)計

雷達(dá)設(shè)備通常工作于惡劣的環(huán)境之下，設(shè)備外表面的防護(hù)設(shè)計非常重要，Ka連續(xù)波雷達(dá)做了以下防護(hù)設(shè)計：

1)雷達(dá)結(jié)構(gòu)中萬向調(diào)節(jié)支撐和拼接緊固件為不銹鋼材料，其余均選用防銹鋁合金；

2)工業(yè)鋁型材外面進(jìn)行涂裝處理，其余鋁合金材料表面陽極氧化處理后進(jìn)行涂裝處理；

3)電子設(shè)備進(jìn)行三防處理；

4)天線罩頂板為聚四氟乙烯材質(zhì)，聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐候性等特點(diǎn)，其表面無需做任何處理。

3 仿真分析

3.1 天線骨架力學(xué)分析

Ka連續(xù)波雷達(dá)工作時承受的載荷主要為風(fēng)阻力，風(fēng)阻力由公式(5)計算可得

P=1/2CXρV2SKh

(5)

其中：

CX——天饋系統(tǒng)迎風(fēng)面風(fēng)力系數(shù)，按風(fēng)向垂直較大直立面取值，天線罩選取1.2，支架蒙皮選取1.4，Kh為高度系數(shù)，此處取1.4；

ρ——空氣密度，取ρ=1.25kg/m3；

V——風(fēng)速，V=35m/s；

S——迎風(fēng)面積；

天線罩最大特征面積：S1=0.41 m2，P1=215.123N；

支架蒙皮最大特征面積：S2=0.38 m2，P2=223.043N；

計算得：P=P1×2+P2=653.29N。

P為雷達(dá)承受的最大風(fēng)阻力，通過軟件仿真分析得到最大應(yīng)力為35.4MPa，見圖8所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)中所有材料的疲勞強(qiáng)度，所以該雷達(dá)在風(fēng)速35m/s的條件可以正常使用。

3.2 雷達(dá)散熱分析

利用軟件進(jìn)行了熱仿真分析，結(jié)果見圖9所示，在環(huán)境溫度為50℃的情況下，發(fā)射機(jī)表面溫度最高為66℃，接收機(jī)表面溫度最高為60.4℃，其余設(shè)備表面溫度均低于60℃，電子設(shè)備表面溫度低于70℃可正常工作，故環(huán)控設(shè)計滿足要求。

圖9 熱仿真分析結(jié)果

4 結(jié)束語

雷達(dá)是一種復(fù)雜的電子機(jī)械機(jī)構(gòu)，雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計在雷達(dá)研制中占有極為重要的地位，是雷達(dá)性能和質(zhì)量的重要保證[5]。本文從雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用鋁合金型材和低壓鑄造技術(shù)，實現(xiàn)了天線骨架和天線的輕量化、高精度的設(shè)計要求，同時文中對天線罩電性能和疏水性進(jìn)行了理論計算和分析，實踐證明天線罩滿足使用需求。