薄壁钛合金Reggia-Spencer移相器的结构实现

陶巍巍，楼中南，陈 荣

(1.南京电子技术研究所， 南京210039;2.合肥工业大学电气与自动化工程学院， 合肥230009)

0 引言

Reggia-Spencer移相器属于矩形波导互易移相器，它是一种模拟连续式移相器，也是最早用于相控阵雷达的铁氧体移相器。但由于该移相器结构笨重，研究人员将它发展成锁式工作形式，即在波导两侧分别加上一个磁轭，磁轭两端伸入波导和铁氧体方形棒组成一对并联闭合磁路，激励线圈加在磁轭上以实现锁式控制。同时，这种移相器还把各种陶瓷片贴在铁氧体棒和波导宽边上，调节陶瓷片的厚度，以便把高次模移出工作频率之外［1］。这种移相器要想在机载相控阵天线上得到大量应用，必须要做到小型轻巧［2-3］，这就要求移相器在材料选择和结构形式方面有所创新。本文针对此设计要求，介绍了一种崭新的移相器结构设计思路与方法。

1 材料选择

美国在1948年就开始规模化生产金属钛作为工业用金属材料。如表1所示［4］，在密度方面，纯钛比铝合金稍大，大约是钢的60%，铜的一半;在线［膨］胀系数方面，纯钛约为不锈钢的一半，是铝合金的1/3，温度变化对其尺寸及形状的影响较小;在电导率方面，纯钛的电阻率比铜高出近30倍，与其他金属相比，它和不锈钢同列，导电不利;在纵弹性模量方面，纯钛为钢铁材料的一半，易于挠曲。纯钛除了这些代表性的物理特性之外，还具有非磁性等特征［4］，这些特征对铁氧体磁性器件而言，都是较为有利的。

在工程应用中，纯钛为改善强度及加工性而添加合金元素生成钛合金，这些合金根据其结晶组织分为:(1)α合金;(2)α-β合金;(3)β合金。以Al作为合金元素，它具备焊接性、延展性优越的高温特性，而且在极低的温度中也能呈现高度的延展性和韧性［4］。Ti-6Al-4V是一种α-β合金，这种合金占有钛合金需要量的70%，它具备了延展性和韧性及高强度化，其加工性、焊接性都很好，因此在飞行器中广泛应用，特别在机身部分Ti-6Al-4V使用率最高，占所用钛合金总量的80%以上，所以我们将此种材料作为实现钛合金Reggia-Spencer移相器的首选。

2 结构形式

在矩形波导中放置轴向磁化铁氧体棒，Reggia-Spencer移相器的结构如图1所示。铁氧体的轴与波导轴是平行的，铁氧体棒可以是方形，也可以是圆形，波导外层绕上磁化线圈用以控制相移。

表1 通用金属的物理特性

图1 Reggia-Spencer移相器结构

2.1 钛合金与铝合金合成式波导结构

钛合金由于其电导率低，在电性能方面，采用部分外磁化形式的波导移相器，相比铝合金减小了短匝效应的涡流损耗，使中间的铁氧体芯得到最大程度的磁化，产生相应的相移［5］。为了减少移相器的损耗，防止微波功率泄露［6］，波导内壁需要有良好的传输环境，考虑到结构加工及移相器装配的可实现性，初期设计将移相器的匹配段与移相段波导宽边集成整体，采用铝合金材料与法兰一起整体加工，激励线圈对应的波导窄边采用钛合金材料，装配完成的移相器结构如图2所示。

图2 铝合金与钛合金合成波导式Reggia-Spencer移相器

这种结构形式，便于实现，易于装配，但器件的强度要求得不到有效的保证，波导宽边由于没有窄边的支撑，极易受力变形，如图3所示;而且器件工作发热时，铝的线［膨］胀系数是钛的3倍，胶接在波导内壁的陶瓷片容易损坏。另外，受天线阵面的限制，法兰厚度比较薄，安装孔尺寸比较小，在环境试验震动过程中，器件容易被破坏，所以这种结构形式可靠性低，强度不能满足产品要求，从材料选择与结构形式上均需要改进。

图3 铝合金波导受力波形

2.2 全钛合金薄壁式波导结构

从材料上，移相器波导宽边和窄边均采用质量轻、强度高又耐腐蚀的钛合金材质。因短匝效应的涡流损耗，移相段波导窄边使用0.1 mm厚的钛合金薄片，宽边出于结构强度考虑，壁厚要有所增加，但增加壁厚的同时，涡流损耗和重量也相应的增加，因此采用0.3 mm～0.4mm厚的钛合金薄板，法兰、匹配段、移相段一次性折弯成形，再通过拼焊的方式，形成一个整的器件结构。从结合强度、耐热性、持久性(耐用性)、气密性(密封性)及设备的广泛性来看，以熔融焊接的可靠性最高，其次为钎焊。电阻焊是熔融焊的一种，在薄板焊接中广泛应用，它是将两张薄板重叠起来，从上下两个方面使其紧贴，在重叠部分形成焊点，发生熔融而结合。

这种薄壁钛合金结构形式，首先，需要高精度多工位步进模来保证折弯件的尺寸精度;其次，需要合适的焊接工装来保证拼焊而成的波导尺寸。匹配段、移相段与法兰宽边形成骨架，一体成型，宽边翻边与贯穿三段波导的窄边钛合金薄板焊接成型。另外，在波导两端薄壁法兰翻边处各焊接了4块厚1 mm的钛合金板形成法兰盘，同时，对整个波导结构也起到了加强筋的作用，波导成型如图4所示。这种波导结构形式，受力不易发生变形，且不易发生扭转，法兰连接强度能够满足环境试验要求。此外，钛合金材料类似玻璃、混凝土，在移相器工作温度范围内，受热基本不膨胀，胶接在移相段波导宽边上的陶瓷材料不会受力破裂，产品可靠性大大提高。

图4 薄壁钛合金焊接成型波导

薄壁钛合金波导式移相器，因其波导焊接而成，无法拆卸，组成并联闭合磁路的铁氧体无法直接放入波导腔内，就好比家具太大，而房门太小，想把家具搬进去，只能拆开来，等所有部分都搬进去后再组装，这需要设计专门的工装在波导腔内完成装配，如图5所示。

图5 “工”字型铁氧体在波导内装配

质量上，全钛合金薄壁式波导结构相比采用铝合金与钛合金合成的波导结构，每个移相器可以减轻1 g，而整个阵面由上千个移相器单元组成，对机载雷达天线阵面而言，减轻的重量就很可观，在实现小型轻巧目标的基础上进一步优化，所以可以确定此种结构形式达到了目前的优化设计。

3 结束语

针对一种机载移相器的设计，薄壁钛合金波导式Reggia-Spencer移相器解决其材料选择、结构形式的问题，实现小型轻巧的要求，且保证了结构强度和产品可靠性，加上配套工装的设计，可以满足产品批产需求。其他波导式移相器的结构设计也可考虑采用此种设计思路。

［1］ 张德斌，周志鹏，朱兆麒.雷达馈线技术［M］.北京:电子工业出版社，2010.Zhang Debin，Zhou Zhipeng，Zhu Zhaoqi.Radar feeder technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［2］ 蒋微波，蒋仁培.微波铁氧体器件在雷达和电子系统中的应用、研究与发展(上)［J］. 现代雷达，2009，31(9):5-13.Jiang Weibo，Jiang Renpei.Application，research and development of microwave ferrite device in radar and electronics systems［J］.Modern Radar，2009，31(9):5-13.

［3］ 蒋微波，蒋仁培.微波铁氧体器件在雷达和电子系统中的应用、研究与发展(下)［J］.现代雷达，2009，31(10):1-9.Jiang Weibo，Jiang Renpei.Application，research and development of microwave ferrite device in radar and electronics systems［J］.Modern Radar，2009，31(10):1-9.

［4］ 周连在.钛材料及其应用［M］.北京:冶金工业出版社，2008.Zhou Lianzai.Titanium material and application［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2008.

［5］ Hord W E.Microwave and millimeter-wave ferrite phase shifters［J］.Microwave Journal，1989，32(4):81-94.

［6］ 魏克珠，蒋仁培，李士根.微波铁氧体新技术与应用［M］.北京:国防工业出版社，2012.Wei Kezhu，Jiang Renpei，Li Shigen.New technique of microwave ferrite and application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2012.