一種有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面反射板實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與工藝研究

陳小軍，蔡 瀟，王瑤瑤，楊春鵬

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153；2.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 201800)

0 引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)是一種復(fù)雜的電子設(shè)備，天線陣面是其核心部分。反射板作為天線陣面的結(jié)構(gòu)載體和保障，天線陣面設(shè)計如陣列單元的排列方式、天線陣面的傾角、陣列單元間距、陣面大小排布等對電性能都有較大影響[1]，反射板優(yōu)劣往往制約著電性能的實(shí)現(xiàn)。

天線陣面反射板作為天饋線的結(jié)構(gòu)載體，結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計時除了必須滿足電性能指標(biāo)要求外，還要考慮結(jié)構(gòu)指標(biāo)(體積、重量)、環(huán)境要求(風(fēng)、雨、鹽霧、輻射、振動、沖擊等)以及安裝、運(yùn)輸、維修要求等。天線陣面反射板在設(shè)計時考慮剛強(qiáng)度以及電磁屏蔽需求，往往采用金屬材料反射板加工而成，隨著小型化趨勢，重量指標(biāo)要求越來越高，在重量指標(biāo)要求苛刻的情況對輕量化復(fù)合材料反射板也提出需求，本文就兩種材料的反射板實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與工藝方案進(jìn)行論述。

1 天線陣面反射板需求與技術(shù)要求

一種大型艦載相控陣?yán)走_(dá)天線艙如圖1所示，主要由天線艙框架和天線陣面等組成，天線陣面由天線輻射單元和反射板、組件等組成。天線輻射單元由陣子單元、饋線板、內(nèi)檢測板、連接器等組成，如圖2所示，天線陣面上輻射單元總重量約為170 kg。圖3是天線輻射單元在反射板上的安裝實(shí)物示意圖，安裝后形成天線陣面通過螺栓連接在天線艙框架上。天線陣面法向與水平面呈20°夾角，所以天線陣面與垂直面成20°安裝在天線艙框架上，兩者之間設(shè)計有定位接口，天線陣面與天線艙框架的定位接口為底面和右側(cè)面。陣面反射板同時要求導(dǎo)電、反射需要。

圖1 天線艙示意圖

圖2 天線輻射單元模塊示意圖

圖3 天線輻射單元在反射板上安裝示意圖

反射板的平面度要求不大于1 mm，同時輻射單元的位置安裝精度要求在X、Y方向上不超過±0.3 mm。

2 金屬材料天線陣面反射板方案制定

反射板的長和寬分別為3 000 mm、3 500 mm，厚度為45 mm，尺寸較大，較難實(shí)現(xiàn)整板加工，采用三塊反射板拼裝的結(jié)構(gòu)形式，整個天線陣面分為三個陣面。每塊反射板均由厚防銹鋁板加工成型，背部設(shè)計有加強(qiáng)筋，能夠提高加工精度、準(zhǔn)確控制反射板的重量，并通過去除加工應(yīng)力后分次加工保證尺寸精度，加工完成后整體進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，以提高表面防護(hù)能力和電磁屏蔽接地要求。反射板兩兩之間采用定位臺階和定位孔相結(jié)合的定位方式，能夠有效控制反射板接縫處的平面度。

反射板采用三塊拼裝的結(jié)構(gòu)形式。接縫處采用Z型縫隙，阻止回波反射到天線艙內(nèi)，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計時在長度方向上增加了兩個定位銷孔，起到輔助定位的作用，防止在裝配過程中出現(xiàn)兩個反射板的定位臺階不能良好接觸的現(xiàn)象。

2.1 天線陣面誤差分析

結(jié)構(gòu)誤差會導(dǎo)致天線陣列單元之間的距離和每一個單元的位置發(fā)生相對變化，從而引起單元上的電流和口徑場的相位分布發(fā)生變化，導(dǎo)致天線增益下降、副瓣電平升高和波束指向不準(zhǔn)確等，即降低了相控陣天線的電性能[1]，因此需要嚴(yán)格控制天線陣面的結(jié)構(gòu)誤差。

在裝配過程中，沿一個裝配方向尺寸鏈的各組成環(huán)的設(shè)計公差，其分布曲線與一批零件機(jī)械加工后的尺寸分布曲線一樣符合正態(tài)分布曲線[2]，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為

(1)

(2)

式中，n為尺寸公差或加工誤差的數(shù)量。

對于單個尺寸公差或加工誤差，其分布在正態(tài)分布曲線±3σ范圍內(nèi)的概率為99.73%，置信度較高，因此對于沿一個裝配方向尺寸鏈組成環(huán)的總設(shè)計公差，取其均方根的6倍，置信度為99.73%，具體數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

(3)

式中，Δ為設(shè)計公差統(tǒng)計計算值，mm；δi為設(shè)計公差，mm。

如圖1所示，在天線陣面上建立坐標(biāo)系，Z軸為陣面法線方向，X軸為水平方向，Y軸為垂直方向，沿這三個方向尺寸鏈的各組成環(huán)的設(shè)計公差如表1所示。

表1 天線陣面設(shè)計公差(單位：mm)

由表1可知，X方向n=4，Y方向n=4，Z方向n=6，將其分別代入式(3)，得到天線陣面三個方向的精度：Δx=0.24 mm，Δy=0.23 mm，Δz=0.30 mm。

2.2 力學(xué)仿真計算分析

采用三維軟件建造天線陣面反射板模型，在工作過程中，除受自身重量、安裝重量影響之外，還要受船舶垂蕩、橫搖、縱搖的影響。將該模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如下：

(1)最大位移為0.03 mm，發(fā)生在反射板中部，結(jié)合天線陣面誤差分析，滿足精度安裝要求；

(2)最大應(yīng)力為2.29 MPa。反射板材料為鋁板，屈服極限約為σs=118 MPa，計算結(jié)果滿足使用要求。

3 復(fù)合材料反射板實(shí)現(xiàn)方案

初樣階段的鋁合金拼接的天線陣面反射板滿足電性能設(shè)計要求，但由于項(xiàng)目的減重需求，考慮采用碳纖維復(fù)合材料制品代替原鋁合金制件，對反射板進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。

反射板主要由帶有安裝孔的復(fù)材板、加強(qiáng)筋及其附屬連接件等組成。復(fù)合材料反射板與加強(qiáng)筋之間采用膠接方式連接，不同反射板之間依靠加強(qiáng)筋連接在一起，加強(qiáng)筋之間采用膠接+鉚接的連接方式。

反射板采用復(fù)合材料板+加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，復(fù)合材料板與加強(qiáng)筋均采用碳纖維材料。復(fù)材板整體尺寸為3 000 mm×3 500 mm×30 mm。整個反射板由上、中、下三塊組成，單板尺寸約為1 000 mm×3 500 mm×30 mm，其中安裝孔位置與原金屬反射板保持一致，由后期機(jī)加工完成。為了保證安裝孔的平面精度，在安裝孔處放置鋁合金預(yù)埋件，通過整體機(jī)加工保證安裝孔的平面精度及位置精度。

碳纖維固化成型后表面導(dǎo)電性能不足，反射板外表面需金屬化處理，在最外一層鋪設(shè)銅網(wǎng)，銅網(wǎng)厚度為0.5 mm，與碳纖維鋪層一起鋪設(shè)，一起固化成型。

碳纖維反射板作為平板結(jié)構(gòu)，需要加強(qiáng)筋加強(qiáng)其剛度。加強(qiáng)筋采用幾字型，加強(qiáng)筋總高25 mm，上部翻邊寬度各為10 mm，底部寬度為10 mm，加強(qiáng)筋壁厚為2 mm，幾字型加強(qiáng)筋和加強(qiáng)筋之間的連接形式如圖4所示。加強(qiáng)筋之間的連接為十字夾板形式，采用鉚釘連接與環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠共同使用的形式連接。

圖4 幾字型加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)

幾字型加強(qiáng)筋與碳纖維反射板主體之間采用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠連接。整個復(fù)合材料反射板通過安裝結(jié)構(gòu)固定在安裝架上，幾字型加強(qiáng)筋為中空結(jié)構(gòu)，為了增加安裝強(qiáng)度，在幾字型中間填充鋁合金安裝塊，并在鋁合金安裝塊上打孔，再通過安裝結(jié)構(gòu)固定在安裝架上。

結(jié)構(gòu)制造難點(diǎn)在于背面縱橫筋和螺紋孔的成型。螺紋孔需采用金屬預(yù)埋件的形式，縱橫筋可采用后粘接形式或整體成型方式，區(qū)別是前者相對容易實(shí)現(xiàn)，后者難度較大。

復(fù)合材料反射面采用T700碳纖維為增強(qiáng)體、914環(huán)氧樹脂為基體。

采用蔡-吳強(qiáng)度理論考察碳纖維復(fù)合材料是否失效。蔡-吳強(qiáng)度理論定義的失效因子為[3]

(4)

式中，

F1=1/Xt-1/Xc，F(xiàn)2=1/Yt-1/Yc，F(xiàn)11=1/(XtXc)，

(5)

當(dāng)FI>1時，復(fù)合材料制件發(fā)生破壞。

復(fù)合材料反射板的剛強(qiáng)度分析結(jié)果如下：

(1)變形最大的地方位于中間板加強(qiáng)筋所圍的中部部位，并向四周變形逐漸減小；反射板變形最大值為0.17 mm，結(jié)合天線陣面誤差分析，滿足精度安裝要求；

(2)蔡吳指數(shù)最大值0.13。蔡吳指數(shù)最大的部分都位于加強(qiáng)筋相交的地方，而在大部分區(qū)域，蔡吳指數(shù)都遠(yuǎn)小于最大值。計算結(jié)果滿足使用要求。

4 結(jié)束語

金屬反射板三塊總重量約為165 kg，復(fù)合材料反射板三塊總重量約為100 kg。從減重方面考慮，改用復(fù)合材料反射板比用純金屬板減重至少35%～45%，但制造成本提高了約一倍，制造難度也有所增加。復(fù)合材料反射板在結(jié)構(gòu)上保留了原有金屬反射板結(jié)構(gòu)的外形尺寸、螺紋孔、凹槽位置及平面度要求。改用碳纖維復(fù)合材料反射板的主要難點(diǎn)在于表面金屬化制備工藝及是否滿足耐環(huán)境要求，金屬材料反射板的平面度靠精密加工及相應(yīng)熱處理加工工藝保障，復(fù)合材料反射板的平面度要求靠整體成型模具保證。

天線陣面反射板設(shè)計還要考慮電訊測試基準(zhǔn)及預(yù)留吊裝用接口等，同時在天線陣面反射板的設(shè)計中，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的合理性、工藝性和安全性，還要考慮結(jié)構(gòu)的可靠性、可維修性、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性，也要對天線陣面反射板的連接設(shè)計、人機(jī)環(huán)境工程設(shè)計等給予足夠的重視[5]。