星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證

王志剛，陳梁玉，張先鋒，姚雨帆

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

0 引言

星載合成孔徑雷達（SAR）具有全天候和全天時的觀測能力，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。天線是星載SAR 的核心，主要有反射面天線和相控陣天線兩種體制[1]。反射面天線質(zhì)量小、成本低，多用于輕小型星載SAR[1-2]。相控陣天線由于具有更加靈活可控的波束掃描性能而成為大部分高性能星載SAR 的首選[3]。

星載SAR 天線在整個生命周期內(nèi)要經(jīng)歷地面階段、發(fā)射階段和在軌運行階段的環(huán)境[4]。天線在地面階段所經(jīng)歷的力熱載荷量級較小，不需要進行額外的設(shè)計和分析。發(fā)射階段的聲振環(huán)境會給天線帶來復(fù)雜和惡劣的動力學(xué)載荷。在軌運行時天線會經(jīng)歷高低溫交變及內(nèi)、外熱流等熱環(huán)境[5]，可能使天線產(chǎn)生微放電效應(yīng)的真空環(huán)境，以及由可造成敏感材料表面輻射累積損傷的帶電粒子輻射環(huán)境[6]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計[5]，航天器在發(fā)射階段的故障數(shù)量占故障總量的22.9%，在軌階段的故障數(shù)量占故障總量的76.7%。因此對航天器進行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和試驗驗證極為重要。

星載SAR 天線的功能是對地輻射微波信號，因此在星載SAR 系統(tǒng)設(shè)計時，無論內(nèi)部布局如何調(diào)整，天線始終須布置在系統(tǒng)的最外側(cè)，使天線輻射面能夠面向地球而不被遮擋。星載SAR 天線所處的特殊物理位置，決定了其要承受更加惡劣的振動、熱和空間輻射環(huán)境。

某大型星載SAR 采用平面相控陣體制天線。本文以其為研究對象，從環(huán)境適應(yīng)性角度論述平面相控陣天線的技術(shù)路線，包括天線的類型選擇、構(gòu)型設(shè)計及實現(xiàn)途徑；圍繞星載環(huán)境，全面分析和介紹縫隙波導(dǎo)天線在空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中的難點以及試驗驗證情況。

1 平面相控陣天線的技術(shù)路線

1.1 天線類型選擇

星載SAR 平面相控陣天線主要有微帶天線和縫隙波導(dǎo)天線兩種類型。微帶天線剖面低、重量輕、加工簡單，通常在低頻段使用。相對于微帶天線，縫隙波導(dǎo)天線具有高效率、低損耗、散熱性能好和結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點[7]。從環(huán)境適應(yīng)性角度來看，縫隙波導(dǎo)天線與微帶天線相比主要有以下優(yōu)勢：

1）傳熱和散熱性能更佳

微帶天線一般是由單層或多層微帶板通過膠接的方式同泡沫板和蜂窩板連接在一起。多層結(jié)構(gòu)的微帶天線比單層結(jié)構(gòu)的能夠獲得更強的電性能，但是多層結(jié)構(gòu)會使天線變得厚重。微帶天線的材料均為非金屬材料，傳熱系數(shù)一般不高，僅相當于保溫材料[8]，傳熱能力不佳。而縫隙波導(dǎo)天線一般采用鋁合金材料，因此其散熱性能明顯強于微帶天線，可以作為星載SAR 有源相控陣天線的散熱面，將有源單機產(chǎn)生的熱量通過輻射的方式發(fā)散到空間環(huán)境中。隨著星載SAR 的能力提升，其功率和熱流密度均顯著增加，因此選配傳熱和散熱性能優(yōu)良的縫隙波導(dǎo)天線能增強其適應(yīng)空間熱環(huán)境的能力。

2）材料單一，環(huán)境適應(yīng)性更好

構(gòu)成微帶天線的材料有微帶板、泡沫板、膠膜、金屬預(yù)埋件和蜂窩板等。各層材料的熱膨脹系數(shù)不一致，溫度的變化會導(dǎo)致各層材料產(chǎn)生不同的變形和內(nèi)應(yīng)力，可能引起層板之間的開裂；另外，各層材料在面對空間輻照和原子氧等惡劣環(huán)境時的表現(xiàn)也存在差異：這些都可能導(dǎo)致微帶天線功能失效。而縫隙波導(dǎo)天線材料單一，不存在上述材料差異可能導(dǎo)致的問題，有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

3）工藝簡單、成熟

微帶天線的復(fù)合成型工藝比較復(fù)雜，影響因素很多：膠接過程中由于空氣的原因會在膠接層產(chǎn)生微小氣泡，嚴重的會影響膠接強度；膠接固化時間的長短、固化的溫度/壓力以及膠膜的質(zhì)量也會影響膠接強度，進而影響天線整體的力學(xué)性能[9]。成型后的微帶天線能否適應(yīng)空間環(huán)境的要求，有待進一步驗證[10]。而縫隙波導(dǎo)天線的成型過程和工藝相對簡單、成熟，產(chǎn)品性能一致性較好[11]。

綜上，縫隙波導(dǎo)天線因其良好的性能和環(huán)境適應(yīng)性而成為星載SAR 的優(yōu)選天線，目前已應(yīng)用于多個星載SAR 產(chǎn)品型號[11-13]。

1.2 天線構(gòu)型設(shè)計

在縫隙波導(dǎo)天線的構(gòu)型設(shè)計中，首先由電信設(shè)計師根據(jù)電性能指標對天線進行建模和仿真分析，滿足電性能指標后提交結(jié)構(gòu)設(shè)計師進行詳細構(gòu)型設(shè)計，再由工藝設(shè)計師負責天線的最終實現(xiàn)。在這個過程中會出現(xiàn)反復(fù)迭代和優(yōu)化設(shè)計，具體包括以下方面：

1）構(gòu)型劃分

縫隙波導(dǎo)天線的構(gòu)型有兩種：一種是沿距離向?qū)⑻炀€劃分為單根天線；另一種是將其視為一個整塊天線（如圖1 所示）。

圖1 縫隙波導(dǎo)天線的兩種構(gòu)型Fig.1 Two configurations of slot waveguide antenna

單根縫隙波導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)和安裝接口均較為簡單，加工難度相對較小。整塊縫隙波導(dǎo)天線面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線波導(dǎo)腔內(nèi)部尺寸精度和位置精度的保證相對單根天線來說難度有所增加。

整塊縫隙波導(dǎo)天線每兩個單元之間共用一個壁，而單根縫隙波導(dǎo)天線的壁是獨立的，且安裝緊固件數(shù)量也比整塊天線的多，故相同尺寸的整塊縫隙波導(dǎo)天線的質(zhì)量比單根縫隙波導(dǎo)天線的小，因此，對于對質(zhì)量有苛刻要求的大型星載SAR 天線而言，整塊縫隙波導(dǎo)天線更具應(yīng)用優(yōu)勢。

2）材料選擇

目前，星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線可以選擇的材料主要有碳纖維復(fù)合材料、鎂合金和鋁合金。碳纖維復(fù)合材料密度小、模量高，理論上可以通過鋪層設(shè)計實現(xiàn)“0”膨脹系數(shù)；其缺點是本身不導(dǎo)電，因此必須對其表面進行金屬化，然而目前的金屬化工藝還不成熟，尚無法滿足空間環(huán)境的要求。鎂合金材料密度很小，但是防腐蝕性能差，不適合真空釬焊。3A21 鋁合金加工性能好、耐腐蝕、焊接性能良好，是目前星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線常用的成熟材料。

3）壁厚設(shè)計

從質(zhì)量的角度考慮，縫隙波導(dǎo)天線的壁厚越薄，質(zhì)量越??；但是壁厚過薄會使縫隙波導(dǎo)天線內(nèi)腔產(chǎn)生足以影響天線電性能的變形，同時會使天線的焊接強度下降。通過對壁厚0.6 mm、0.8 mm 和1.0 mm 的縫隙波導(dǎo)天線的研制和對比，最終確定天線壁厚為0.8 mm，從而實現(xiàn)在減小質(zhì)量的同時保證天線的電性能和焊接強度。

4）共型設(shè)計

本文所研究的星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線是由水平極化和垂直極化縫隙波導(dǎo)天線組成的一個封閉腔體。封閉腔體不能用常規(guī)的機械加工方法直接獲得，因此通過結(jié)構(gòu)分層設(shè)計將其轉(zhuǎn)化成易于加工的開放式腔體，如圖2 所示?？p隙波導(dǎo)天線分為4 層結(jié)構(gòu)，每一層的結(jié)構(gòu)必須是一個完整獨立的腔體，因此水平極化和垂直極化縫隙波導(dǎo)天線需要進行共型設(shè)計，即使兩者的波導(dǎo)腔體在水平方向上同層，在垂直方向上相差一個波導(dǎo)腔體高度，并且同層波導(dǎo)腔體實現(xiàn)共壁設(shè)計。共型設(shè)計實現(xiàn)了縫隙波導(dǎo)天線的低剖面和輕小型化。

圖2 縫隙波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)分層示意Fig.2 Schematic diagram of structural layering of slot waveguide antenna

1.3 天線實現(xiàn)途徑

目前星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線成熟的工藝實現(xiàn)途徑是利用高速銑削加工獲得高精度和小變形的薄壁腔體零件，再通過真空釬焊技術(shù)實現(xiàn)薄壁腔體零件的整體成型。

高速銑削加工中，通過設(shè)置合理的加工工藝參數(shù)，如高轉(zhuǎn)速、小進給切削量和合理的切削路徑，使縫隙波導(dǎo)天線薄壁腔體零件的表面粗糙度、尺寸公差和形位公差達到加工要求；同時對敏感的關(guān)重尺寸進行加工補償，以避免加工和焊接時的變形以及焊縫厚度對關(guān)重尺寸的影響。為了減小真空釬焊時零件的變形，先在零件四周設(shè)置工藝邊框，焊接后再利用高速銑削去除工藝邊框。

真空釬焊工藝是將一層零件一層焊片交替疊加，并用壓板壓緊，在真空環(huán)境下通過加溫將焊片熔化后在母材之間鋪展開形成焊縫，從而將各層零件焊成一個整體[14]。真空釬焊的整個實現(xiàn)過程包括零件清洗、烘干，零件與焊片的裝配，進爐加熱焊接和冷卻出爐。焊接壓板采用耐熱性能好的不銹鋼材料，其平面度基準非常高。真空釬焊工藝成熟，可按照典型工藝和作業(yè)指導(dǎo)書對焊接的真空度、溫度、焊接時間和加載方式進行全過程控制；焊接后對焊縫質(zhì)量進行超聲C 掃描，保證縫隙波導(dǎo)天線的釬透率≥85%。真空釬焊的優(yōu)勢是可以獲得良好的焊縫質(zhì)量和焊接強度，使天線具有良好的防微波信號泄漏能力和環(huán)境適應(yīng)性。

2 天線環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證

環(huán)境試驗可以充分驗證空間環(huán)境下天線的性能，是保障星載天線高可靠、長壽命的關(guān)鍵舉措。環(huán)境試驗包括環(huán)境應(yīng)力篩選試驗（ESS）和環(huán)境模擬試驗，其基本順序通常如圖3 所示。

圖3 環(huán)境試驗的基本順序Fig.3 Basic sequence of environmental tests

2.1 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證

星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計難點包括：1）為滿足星載平臺對于SAR 天線有效載荷的質(zhì)量限制而對天線進行減重設(shè)計的同時，還要保證天線的剛度；2）縫隙波導(dǎo)天線采用的3A21 鋁合金材料強度低，因此需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計等來提高天線的抗振動沖擊性能；3）受整流罩包絡(luò)的限制，大型星載SAR 天線需要分成幾塊子板，每塊子板都由若干個天線組成，并根據(jù)電性能、結(jié)構(gòu)分塊和工藝可實現(xiàn)性來確定天線的合適尺寸，但即使這樣，天線的尺寸仍然相對較大；4）在整體布局時，天線的安裝結(jié)構(gòu)件通常采用網(wǎng)格式框架，其優(yōu)點是約束點少，缺點是約束點跨度大，會導(dǎo)致天線中心位置振動響應(yīng)大而嚴重影響天線的力學(xué)性能；5）天線也是一個承載體，背面安裝了組件和功分器等單機，對天線的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性提出了更高要求。

在力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中，力學(xué)仿真是一個重要手段。傳統(tǒng)方法是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后進行力學(xué)仿真；如果不滿足要求則返回結(jié)構(gòu)修改，再進行力學(xué)仿真；如此反復(fù)。本文采用結(jié)構(gòu)與力學(xué)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合天線的構(gòu)型、尺寸、質(zhì)量和約束位置，對天線進行迭代優(yōu)化仿真設(shè)計。經(jīng)過計算，天線的一階固有頻率為186.5 Hz。以表1 的鑒定級隨機振動條件為輸入條件，計算天線在x、y、z三方向、每個方向2 min 的隨機振動響應(yīng)。結(jié)果顯示，天線在z向響應(yīng)最大，最大1σ應(yīng)力為21.34 MPa，3σ應(yīng)力為64.02 MPa。圖4 為天線的z向變形和應(yīng)力云圖。

表1 天線鑒定級隨機振動試驗條件Table 1 Qualification test condition of random vibration for antenna

圖4 天線z 向變形和應(yīng)力云圖Fig.4 Deformation and stress nephogram of antenna in z direction

天線材料3A21-H112 的極限強度σb取120 MPa，安全系數(shù)n取1.5，則安全裕度MS=σb/(σmax×n)-1=120/(64.02×1.5)-1=0.25。依據(jù)GB/T40537—2021《航天產(chǎn)品裕度設(shè)計指南》，金屬材料按極限強度計算，最小安全裕度為0.15。因此天線的結(jié)構(gòu)滿足隨機振動要求。

對該星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線進行鑒定級沖擊和隨機振動試驗，以驗證其力學(xué)性能。結(jié)果顯示，試驗后天線表面狀態(tài)無異常，螺釘未松動，電性能正常，證明天線經(jīng)過驗證試驗后整體功能性能正常，設(shè)計滿足要求。

2.2 熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證

星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線輻射單元直接暴露在空間環(huán)境中，其表面受空間外熱流影響，內(nèi)部受有源單機工作時散發(fā)的熱量影響，溫度變化比較大。因此，需按熱控要求選擇具有合適的太陽吸收比αs和半球發(fā)射率εH的表面熱控涂層來調(diào)節(jié)天線輻射單元表面的熱輻射性能[15]，以保證天線正常工作。本研究根據(jù)星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線的特點，采用電化學(xué)方法在天線輻射單元表面形成一層平整、穩(wěn)定和致密的光亮陽極氧化膜。為獲得具有特定αs和εH的陽極氧化膜，需要通過大量試驗對天線制造工藝流程、涂層厚度等參數(shù)及拋光方法等進行固化[16]，并對工藝全流程進行控制。同時，為加強有源單機與縫隙波導(dǎo)天線之間的輻射換熱，在天線輻射面的背面局部噴涂熱控黑漆。該熱控黑漆是成熟產(chǎn)品，已在多個型號上成功應(yīng)用。

為了驗證氧化膜的空間環(huán)境適應(yīng)性，對其試片進行了高低溫、原子氧、電子/質(zhì)子輻照試驗，試驗前后αs和εH的變化量均小于0.02，表明該氧化膜具有良好的空間輻射環(huán)境適應(yīng)能力。

2.3 熱變形環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計驗證

星載SAR 縫隙波導(dǎo)天線是鋁合金材料，天線框架是碳纖維復(fù)合材料，在空間高低溫交變環(huán)境下，不同材料的熱變形和應(yīng)力不同會影響天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此要進行相應(yīng)的抗熱變形設(shè)計。

本文參考相關(guān)研究[17-19]，針對縫隙波導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)形式及安裝方式，提出了一種游離設(shè)計來控制熱變形：如圖5 所示，縫隙波導(dǎo)天線通過4 個連接孔與天線框架連接，其中1 個圓孔為固定孔，其余3 個腰形孔為游離孔；腰形孔連接接觸面涂特殊潤滑脂以減小滑動摩擦力，可通過滑動釋放沿其長軸方向的變形。

圖5 天線游離設(shè)計Fig.5 Free design of antenna

為了驗證游離設(shè)計的抗熱變形效果，開展了天線的熱變形試驗。試驗中采用加熱帶對縫隙波導(dǎo)天線從室溫20 ℃加熱至70 ℃，每升高10 ℃穩(wěn)定一段時間后測量天線沿x、y、z三個方向的變形。天線輻射面的法線方向為z向，其余兩個方向為x和y向。測量結(jié)果見表2：在50 ℃溫差熱載荷作用下，天線在游離和非游離狀態(tài)下的z向最大變形分別為0.225 mm和0.468 mm。由此可見，天線輻射面在游離狀態(tài)下的變形較非游離狀態(tài)下的顯著減小。

表2 非游離和游離狀態(tài)下天線在x、y、z 向的熱變形最大值Table 2 The maximum thermal deformation of the antenna under non-free & free cases in x、y and z direction

2.4 微放電設(shè)計與驗證

微放電效應(yīng)是一種真空放電現(xiàn)象，通常發(fā)生在兩個金屬表面之間。微放電效應(yīng)會導(dǎo)致天線的微波性能下降，嚴重時會使微波設(shè)備損壞。消除微放電效應(yīng)的方法是增加兩個金屬面的間距，使工作的最大電壓在材料的微放電敏感區(qū)之外。常用材料的微放電曲線見圖6[20]，該曲線來源于由歐洲航天局（ESA）基于平行平板理論建立的經(jīng)典分析方法。

圖6 ESA 的常用材料微放電曲線[20]Fig.6 ESA’s multipactor curves for commonly-used materials[20]

天線設(shè)計時主要考慮薄弱環(huán)節(jié)是否滿足微放電的功率要求?？p隙波導(dǎo)天線中電場最強的位置是金屬匹配塊與天線下部內(nèi)壁之間，此處兩個金屬面間距越小越容易觸發(fā)微放電現(xiàn)象[21]。設(shè)計的難點是既要增加兩個金屬面的間距，又要兼顧天線電性能是否滿足要求。如圖7 所示，此處最小間距d=2.48 mm，取圖6 中鋁的微放電曲線斜率k=39.8，頻率f=5.4 GHz，可計算得出產(chǎn)生微放電的最小電壓V=kfd=533 V。在天線的仿真中，設(shè)置端口的輸入功率為27 W，可計算出匹配塊處的最大電壓值為108.1 V，脈沖功率有13.9 dB 的安全設(shè)計余量，因此天線不會產(chǎn)生微放電現(xiàn)象。

圖7 天線微放電位置Fig.7 Multipactor position of antenna

微放電試驗的目的是驗證縫隙波導(dǎo)天線在真空中傳輸大功率微波信號時是否會發(fā)生微放電現(xiàn)象，微放電設(shè)計安全余量是否滿足＞6 dB（鑒定級）的要求。微放電試驗中，對天線施加峰值功率27 W和平均功率2.7 W 再加上脈沖功率6 dB（峰值108 W），試驗時間均為30 min。試驗結(jié)束后，對比試驗前/后的天線端口駐波比，結(jié)果駐波比均＜1.35（如圖8 所示），滿足指標要求；同時檢查天線表面和內(nèi)部情況，均未發(fā)現(xiàn)異常。因此，可以判定天線通過了微放電試驗驗證，未發(fā)生微放電現(xiàn)象。

圖8 微放電試驗前后天線端口駐波對比Fig.8 Comparison of standing wave of antenna port before and after multipactor test

2.5 輻射環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證

縫隙波導(dǎo)天線是無源單機，材料為3A21 鋁合金，該材料對輻射不敏感。但由于縫隙波導(dǎo)天線的輻射面有縫隙存在，空間帶電粒子可以通過縫隙進入波導(dǎo)腔體內(nèi)，因此射頻連接器的介質(zhì)支撐將直接承受空間輻射（如圖9 所示）。

圖9 介質(zhì)支撐受輻照示意Fig.9 Schematic of irradiated dielectric medium support

介質(zhì)支撐是非金屬材料，常選用聚四氟乙烯和聚酰亞胺。聚四氟乙烯的耐輻射安全閾值僅為105rad(Si)[22]；聚酰亞胺的抗輻射性能較強，耐輻射安全閾值在109rad(Si)量級。本文所研究的星載SAR天線所處軌道高度的空間輻射在108rad(Si)量級，因此應(yīng)選用聚酰亞胺材料作為其射頻連接器的介質(zhì)支撐。天線所選用的射頻連接器本身需要通過抗輻射試驗考核，因此不必再對天線整體進行抗輻射試驗驗證。

2.6 在軌驗證

縫隙波導(dǎo)天線作為星載有源相控陣天線有效載荷的一部分，經(jīng)受了發(fā)射階段嚴酷的力學(xué)環(huán)境、在軌熱環(huán)境和空間輻射環(huán)境的考驗，在軌運行期間功能和性能穩(wěn)定，工作正常。

3 結(jié)束語

星載SAR 長壽命、高可靠性的要求使在設(shè)計天線等單機時要充分考慮其環(huán)境適應(yīng)性。本文對星載SAR 天線的技術(shù)路線做了全面分析和介紹，通過選擇天線類型、構(gòu)型以及工藝實現(xiàn)方式，最終確定選用傳熱散熱能力強、材料單一且成型工藝成熟、利于裝配集成且性能一致性好的整體式構(gòu)型縫隙波導(dǎo)天線。圍繞星載環(huán)境，綜合分析了：振動環(huán)境下天線減重、材料和布局對天線力學(xué)性能的影響；熱輻射環(huán)境下陽極氧化膜的制備難點；大溫差環(huán)境下通過游離設(shè)計釋放熱變形的方法；微放電環(huán)境下敏感區(qū)域的金屬面間距和電性能的匹配；真空輻射環(huán)境下連接器介質(zhì)支撐采用高耐輻射安全閾值的聚酰亞胺材料來滿足抗輻射要求。試驗驗證和在軌驗證結(jié)果表明，縫隙波導(dǎo)天線有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

星載SAR 有源相控陣天線是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，內(nèi)部復(fù)雜且互相耦合的機電熱環(huán)境和外部惡劣的空間環(huán)境都會影響系統(tǒng)正常運行。如何在系統(tǒng)層面對影響星載SAR 有源相控陣天線可靠性的環(huán)境因素進行分析驗證是一項任重道遠的工作。