一種雷達雙路波導(dǎo)交連的設(shè)計*

李 省，鐘劍鋒，邵亞偉，沈金泉，張華林

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

交連是機掃雷達的核心部件，是實現(xiàn)和保證雷達整機性能的關(guān)鍵[1]。根據(jù)交連的技術(shù)特點，可將其分為方位旋轉(zhuǎn)交連和俯仰旋轉(zhuǎn)交連[2]。方位旋轉(zhuǎn)交連是天線作方位旋轉(zhuǎn)時采用的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，要求轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)能在360°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰旋轉(zhuǎn)交連是天線作俯仰旋轉(zhuǎn)時采用的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通常只要求轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)能在100°左右范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)[3]。

由于體積、重量等的限制，某型號產(chǎn)品的兩個波段發(fā)射機均固定置于發(fā)射艙內(nèi)，需要把兩路發(fā)射信號連續(xù)地傳輸至轉(zhuǎn)臺上的喇叭，此時必須使用能360°旋轉(zhuǎn)的雙路交連，以保證天線在連續(xù)跟蹤過程中發(fā)射信號的傳輸不中斷[4–5]。該型號產(chǎn)品的作用距離長，對交連的要求更高，不僅要求小駐波、低損耗、高峰值功率和高平均功率，還要求旋轉(zhuǎn)過程中駐波、相位、幅度的變化起伏都小。常規(guī)交連無法滿足該產(chǎn)品需求，因此本文針對該產(chǎn)品相關(guān)需求設(shè)計了一款高性能360°旋轉(zhuǎn)雙路交連。

1 結(jié)構(gòu)組成

機掃雷達天線在360°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)天線需要與基座非旋轉(zhuǎn)部分進行實時的電磁波傳輸。常用的波導(dǎo)管截面多為矩形，要想實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)截面必須為圓形。雙路波導(dǎo)交連就是將兩路矩形波導(dǎo)變換成兩路同軸波導(dǎo)再變換回兩路矩形波導(dǎo)，進而滿足結(jié)構(gòu)上連續(xù)旋轉(zhuǎn)的需求并實現(xiàn)通信上連續(xù)傳輸電磁波的功能。

360°雙路交連由C波段通路和Ku波段通路組成，其結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，主要由功率分配器、90°階梯扭波導(dǎo)、兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等組成。

圖1 360°雙路交連外形圖

360°雙路交連外面的C波段通道采用BJ48功分合成器對稱激勵粗同軸線，功分器負載材料為碳化硅或結(jié)晶硅。最里面的Ku波段通道是一段細同軸線，兩側(cè)變換成BJ120矩形波導(dǎo)。兩路通道的連接處均有扼流槽。C波段通道為BJ48的A型扼流法蘭和平法蘭。Ku波段通道為BJ120的B型扼流法蘭和平法蘭[6]。

360°雙路交連的轉(zhuǎn)動部分主要由兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實現(xiàn)。兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由Ku波段同軸波導(dǎo)、C波段同軸波導(dǎo)、密封圈、軸承、基座等組成，其剖視圖如圖2所示。

圖2 兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)剖視圖

2 電性能仿真

360°雙路交連C波段通道采用BJ48功分合成器對稱激勵粗同軸線，里面的Ku波段通道采用BJ120激勵細同軸線。

利用微波電磁場仿真軟件HFSS對Ku波段峰值功率狀態(tài)進行建模仿真[7]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 70 kW激勵仿真結(jié)果

從圖3的仿真結(jié)果可以看出，在設(shè)計頻率范圍內(nèi)，駐波比均小于1.4，滿足最大駐波比1.5的設(shè)計要求；損耗均小于0.12 dB，滿足最大損耗0.3 dB的設(shè)計要求。

利用微波電磁場仿真軟件HFSS對C波段峰值功率狀態(tài)進行建模仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1.5 MW激勵仿真結(jié)果

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，在設(shè)計頻率范圍內(nèi)，駐波比均小于1.2，滿足最大駐波比1.5的設(shè)計要求；損耗均小于0.05 dB，滿足最大損耗0.3 dB的設(shè)計要求。

3 散熱仿真

雷達工作過程中，波導(dǎo)回路充有正壓干燥空氣。按照雷達實際工作狀況，雙路交連的主要發(fā)熱部分集中在兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處，因此熱仿真主要針對兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處進行。

根據(jù)設(shè)計工況，雙路交連同軸部分材料選擇黃銅，其中熱源1內(nèi)置在中心空腔內(nèi)，其底部與整體結(jié)構(gòu)焊接，頂部與軸承接觸，通過導(dǎo)熱和輻射散熱；熱源2位于熱源1外側(cè)，熱源2包裹熱源1，熱源2通過上下兩部分與整體結(jié)構(gòu)焊接，通過導(dǎo)熱和輻射散熱；熱源3為外導(dǎo)體，上部與波導(dǎo)管焊接，通過導(dǎo)熱和輻射散熱。各熱源分布如圖5所示，內(nèi)導(dǎo)體1、內(nèi)導(dǎo)體2和外導(dǎo)體的熱耗分別為5.41 W，8.47 W和2.91 W。

圖5 熱源分布

環(huán)境溫度為55°C時，利用Flotherm軟件按照前述條件進行仿真，所得溫度場如圖6所示。

圖6 溫度場

從仿真結(jié)果可以看出，最高溫度為106.3°C，位于內(nèi)導(dǎo)體1的中上部。內(nèi)導(dǎo)體材料為黃銅，與其接觸的軸承為不銹鋼材料。此溫度不會引起交連高溫打火，滿足設(shè)計使用要求。

4 樣機

按照設(shè)計圖紙加工制造實物樣機。為了提高雙路波導(dǎo)交連回路中關(guān)鍵部位的加工精度，減少因加工裝配帶來的尺寸誤差，使制造所得實物與仿真設(shè)計模型盡量一致，兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)的同軸波導(dǎo)、門扭和法蘭均采用電鑄工藝一體成型。先加工出波導(dǎo)腔的鋁合金芯模，電鑄出所需的外形厚度，最后熔去鋁合金芯模得到所需零件。其余精度要求不高的零部件采用常規(guī)機械加工和焊接工藝制造。最終制造出的樣機如圖7所示。

圖7 雙路波導(dǎo)交連樣機

對C波段和Ku波段分別進行電性能測試。測試時先連接輸入、輸出端口，待頻譜儀顯示穩(wěn)定波形時，手動360°旋轉(zhuǎn)交連，觀測旋轉(zhuǎn)過程中駐波和損耗最惡劣的情況。

Ku通道在交連360°旋轉(zhuǎn)過程中，駐波和損耗沒有明顯起伏變化，結(jié)果如圖8（a）所示。從測試結(jié)果可以看出，在設(shè)計頻率范圍內(nèi)，最大駐波比為1.18，滿足最大駐波比1.5的設(shè)計要求；最大損耗為0.19 dB，滿足最大損耗0.3 dB的設(shè)計要求。

C通道在交連360°旋轉(zhuǎn)過程中的最惡劣結(jié)果如圖8（b）所示。從測試結(jié)果可以看出，在設(shè)計頻率范圍內(nèi)，最大駐波比為1.23，滿足最大駐波比1.5的設(shè)計要求；最大損耗為0.26 dB，滿足最大損耗0.3 dB的設(shè)計要求。

圖8 樣機測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對某雷達360°旋轉(zhuǎn)雙路交連的設(shè)計進行了較為詳細的介紹。借助微波電磁場仿真軟件HFSS，對Ku波段和C波段雙路交連進行了仿真設(shè)計，拓寬了雙路交連的工作帶寬。利用Flotherm軟件對360°旋轉(zhuǎn)雙路交連的兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部位進行熱仿真，得到了工作條件下的溫度場、最高溫度及其所在位置。最高溫度及其所在位置不會引起交連高溫打火失效，滿足設(shè)計使用要求。利用電鑄工藝提高關(guān)鍵部位的加工制造精度，提升了交連的綜合性能。對樣機進行電性能測試，在交連360°旋轉(zhuǎn)過程中，Ku波段通道和C波段通道的各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了小駐波、低損耗、高峰值功率，以及旋轉(zhuǎn)過程中駐波、相位、幅度變化起伏小的設(shè)計目標(biāo)。