机载高精度相控阵雷达天线阵面结构设计*

宋 敏，胡劲松，吴文志，张荣明

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

机载高精度相控阵雷达天线阵面结构设计*

宋 敏，胡劲松，吴文志，张荣明

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

以某机载高频天线阵面结构设计为例，介绍了高频机载天线阵面的结构特点及其高精度结构设计的相关关键技术。对天线阵面的设计要求、天线系统组成和设备集成方式进行了介绍。重点对可插拔的一体化线源模块以及天线框架的高精度结构设计、热设计和天线阵面设备的密封设计进行了详细叙述。最后通过力学仿真分析，验证得出该天线阵面结构设计合理，刚强度满足设计要求。

机载天线；结构设计；有限元分析；热设计；密封设计

引 言

高频雷达天线的电性能极易受天线结构尺寸参数的影响，故而对天线结构的精度设计提出了很高的要求，如某X波段相控阵天线其位置精度要求达到 ± 0.1 mm。同时机载天线由于受平台限制，具有结构重量要求苛刻，振动环境恶劣，安装和维修空间有限的特点，对散热性、密封性和可靠性要求较高，而这些特点又常会存在相互矛盾的因素。机载雷达的小型化、轻型化已成为一种迫切的需求，而雷达的小型化却会使得产品的单位热流密度增加，从而增加热设计的难度[1-2]。因此，在结构设计时必须综合考虑产品的功能、尺寸、重量、强度、散热性、维修性、环境适应性等各个方面[3]。

1 天线阵面的系统设计

1.1 天线阵面系统组成与设计

某X波段机载有源相控阵天线阵面包括天线组件、背板、阵面电源、阵面监控校正、馈线和冷却设备等。如图1所示。

图1 天线阵面组成

根据天线阵面各部分的功能和互联关系，并结合装机位置、设备布局、电缆走线、安装、冷却和可维修性等因素，天线阵面的结构采用了集成化和模块化设计方法。

首先将天线俯仰向单元与列网络合成，设计成线源，射频前端采用独立设计的模块，再将线源与射频

前端集成安装在一起，使其成为可插拔并可扩展的线源组件，线源组件与背板采用盲插形式连接。如此形成了前端线源、阵面框架以及后端部件3 个部分。

前端可扩展线源组件作为核心部件，集成了天线、功分网络、射频前端等设备，并且集反射面、辐射单元和合成网络等功能于一体。如此形成了一个完整的功能部件，从而提高了装配、调试及维护的效率，同时能满足天线阵面的扩展性需求。

天线阵面通过阵面框架与载机平台进行连接固定，阵面框架是天线阵面的安装和承力主体。线源经由框架上的导轨定向，并通过锁紧器、定位螺钉等与框架固定。在对框架的设计中，需对飞机接口、线源安装、后部设备进行一体化考虑，合理设计构型并进行减重设计。

电源、阵面监控等布置在背板的后部，背板与框架刚性连接。背板各部分相互独立，通过盲插装置与前端线源信号互联，通过电缆组件与阵面后部设备信号互联。由于线源上的射频前端单元工作时发热量较大，自然散热无法满足其散热需要，综合考虑天线阵面热耗和热控的可靠性要求等因素，采用干式传导冷却的方式进行散热，即模块内部产生的热量通过模块端面传递到冷板上，再由穿过液冷板的冷却液带走，冷板与背板采用了分离式设计。通过上述集成化设计，天线阵面形成前、中、后3大部分，避免了复杂的多级装配，既保证了天线尺寸精度也便于后期的维护。

1.2 天线阵面的高精度保证

该天线重量要求苛刻、接口受限、承受过载、随机振动、冲击等综合载荷，这些要求都给结构的精度设计带来了很大的难度。

为了保证天线振子在各种工况下精度指标要求，主要采用了以下几种方法：

1)优选结构受力形式和传力方式，主承力框架采用整体加工的薄壁空腔结构，线源采用阵子一体化设计的模块化结构；

2)在综合考虑加工工艺水平及加工成本的前提下，合理分配精度、控制公差带，提高天线精度，影响天线精度的因素包括线源加工和装配误差、框架加工误差、阵子安装误差、结构静动态变形等，设计中对这些因素进行综合考虑并合理分配；

3)运用参数优化设计方法，对截面尺寸等进行参数优化，同时对结构刚度进行优化，设置减轻孔、布置加强筋等，进一步提高了骨架的刚度，最终提高天线精度；

4)充分利用成熟工艺和工装定位辅助，降低装配(焊接、螺栓连接)、安装过程中产生的残余应力和残余变形。

2 线源和框架结构设计

2.1 可插拔线源模块结构设计

线源是天线的核心部件，通过功分器等设备与阵子连成一个模块，减少了连接电缆的使用，有效减小了阵列的插损，出现故障或发生损坏时也可以及时更换。功分器的外壳同时也作为天线辐射的地板。

结构精度要求高、可插拔维修、抗振动冲击、重量要求轻等是线源结构设计主要的重点及难点。其结构设计主要从以下几个方面予以保证。

1)精度设计。综合考虑现有机加工水平和设计成本，合理分配公差，提高精度；通过刚度优化设计，提高安装框架和线源自身的刚度，保证设计精度。

2)阵子连接设计。采用角件连接方式，在角件上伸出销柱进行定位，采用真空钎焊固定保证反射面平面度。

3)线源定位方式。采用两个定位销控制线源的上下方位，定位销孔采用椭圆孔形式以避免过约束；通过导轨一侧的公差配合来控制线源的左右方位。

4)线源固定方式。综合考虑线源所处力学环境及插拔方式，利用两个锁紧器的静摩擦力来固定线源，同时定位销也起到辅助固定作用。

5)刚强度及重量设计。充分利用结构仿真和优化设计技术，对线源进行减重设计，在保证其刚强度的前提下，使用最少的材料。

2.2 框架结构设计

天线框架是整个天线的承力部件，是天线阵面精度保证的关键，结构设计中主要从以下几个方面予以保证。

2.2.1 承加骨架的设计

承力骨架采用整体加工的薄壁空腔结构型式，整体加工件不仅刚度大，且避免了装配误差，可通过机加精度来保证天线安装精度，从而有效保证天线阵面精度。图2为天线框架结构示意图。设计中通过增加截面高度并控制壁厚设置减轻孔等方式，既不增加重量同时又能够有效增加结构刚度。框架材料采用强度高的铝合金材料。

图2 天线框架

2.2.2 框架强度设计与优化

从保证精度的角度考虑，主要采用以下设计手段同时保证天线阵面在各种工况下的刚强度设计要求。

1)优选承力骨架的结构型式和受力体系，并结合有限元仿真手段逐级优化；

2)以结构刚度最大为目标，在重量一定的情况下保证安装尺寸，同时综合考虑制造性和材料获得性，进行截面尺寸等的参数优化，最终进一步提高骨架的刚度；

3)通过局部优化设计，降低集中应力，可有效降低局部破坏，尤其是疲劳损伤风险；

4)进行减轻孔设计，可以进一步改善应力水平，提高结构整体强度，并减轻骨架重量；

5)采用残余应力消除技术，降低装配、安装过程中产生的残余应力与残余变形；

6)安装过程中采用形变检测技术等对安装精度进行复核检测。

3 天线阵面力学分析

3.1 建立有限元模型

根据结构几何模型建立有限元模型，薄壁结构采用壳单元进行模拟[4]，如图3所示。

图3 有限元模型

结构所使用材料如表1所示。

表1 材料力学性能表

将天线框架安装孔3个方向的自由度完全约束，分析工况包括：1)过载分析；2)模态分析；3)随机振动分析。随机振动试验条件如图4所示，其中：L1取0.3g2/Hz，L2取0.075 4g2/Hz，L3取0.033 6g2/Hz，L4取0.018 9g2/Hz；F1取107.5 Hz，F2取215 Hz，F3取322.5Hz，F4取430Hz，尖峰带宽为中心频率的±5%。

图4 随机振动试验条件

3.2 分析结果

通过有限元仿真分析软件ABAQUS对天线阵面结构进行固有频率、过载和随机振动分析。过载分析结果见表2。

表2 加速度作用下天线阵面的最大变形和最大应力

对结构进行模态分析，并提取了主模态分析结果见表3，其中1阶主模态见图5，2阶主模态见图6。

表3 前3阶主模态对应的固有频率

图5 1阶模态图

图6 2阶模态图

随机振动分析结果见表4。

表4 随机振动下的均方根变形及应力最大值

根据分析结果，结构在2 000 Hz内主模态均避开了激振频率，随机振动3σ最大变形为3 × 0.04 mm = 0.12 mm，3σ最大应力为3 × 34.3 MPa = 102.9 MPa，安全系数约1.5，结构刚强度均满足设计要求。

4 天线阵面热设计

天线阵面中射频前端工作时发热量较大，自然散热无法满足其散热需要，综合考虑天线阵面热耗和热控的可靠性要求等因素，同时考虑载机可提供液冷源，故采用干式传导冷却方式进行散热，即模块内部产生的热量通过模块端面传递到冷板上，经由进入液冷板的冷却液带走。

4.1 建立模型

根据软件建模以及天线阵面自身的特点，建模过程中对模块中一些对散热影响不大的细节进行了适当的简化[5]。主要简化内容包括：

1)忽略了模块与周围空气的对流散热因素；

2)忽略了辐射散热的影响；

3)忽略了所有螺钉孔；

4)各模块的热耗分别以面热源的方式贴在冷板的一侧，见图7(b)所示。

模型简化后，天线阵面单元的冷板如图7所示。

图7 冷板热分析模型

56个射频前端的内部结构、热耗分布及热边界条件是相同的。下面以其中一个射频前端模块为研究对象进行热分析。模型简化后的射频前端模块如图8所示。

图8 射频前端热分析模型

根据系统方案设计，冷却剂类型为65号防冻液，其具体物性参数见表5。仿真计算设计流量为0.74 L/min，冷却剂入口温度为40 ℃。

表5 冷却剂物性参数

4.2 分析结果

本天线阵面单元的冷板和射频前端模块经专业热分析软件进行详细的热分析计算表明：

1)入口温度为40 ℃、流量为0.74 L/min时，冷板最高温度约为47.7 ℃，且温度分布较为均匀。

2)安装冷板的温度设定为定温度边界，温度为50 ℃，模块与冷板的接触传热系数取5000 W/(m2·K)，发热元件最高温度约为57.8 ℃，低于各元件允许的工作温度上限，满足设计要求。

图9 冷板温度分布云图

5 天线阵面密封设计

天线阵面安装在载机的非气密舱，载机高低空飞行时会造成阵面设备盒体内外气压差升高，致使外部潮湿、含盐量较高的空气逐渐渗入设备内部，最终凝结在内部器件和电路板上，降低材料的介电强度和绝缘性能，并使内部元器件发生腐蚀，从而影响电性能指标使全机不能正常工作，严重时会导致设备失效。因此天线阵面设备的密封性设计是阵面结构设计的重点之一。

图10 射频前端温度分布云图

线源的密封设计应主要考虑盒体与盖板的接触面和连接器与盒体的接触面。虽然线源内部是高频电路，但由于盒体尺寸较大，目前没有可靠的工艺方法实现盒体与盖板、连接器与盒体之间的气密封，而且国内对于气密的检测手段也不完善，因此只能做到水密。密封防水采取的措施主要有：盒体与盖板之间采用硅胶密封条，定位销采用盲孔安装，JSMP连接器与盒体采用钎锡焊接，内部微带板采用气相沉积膜防护，焊点采用硅胶或气相沉积膜保护等。

对于射频前端，其内部是高频电路，对潮湿和凝露比较敏感，目前尚没有可采用的涂覆工艺，而且内部装有裸芯片，因此进行气密，并且气密泄漏率应不大于1 × 10-6m2/s。

6 结束语

本文针对某高频机载天线阵面的高精度结构设计

要求，对天线阵面的结构优化形式和高精度结构设计的关键技术进行了说明。通过综合运用系统设计、模块化设计、力学和热学仿真设计等技术，结合载机平台所提供的安装和维修空间尺寸及其他天线设备需求，对天线阵面的尺寸精度、结构布局、设备重量、电缆连接等进行综合优化设计，最终满足了结构的高精度设计要求，并使天线阵面的电性能和维修性等方面都得到了充分保证。

[1] 罗建召, 唐伟．机载雷达结构随机振动疲劳破坏技术研究[J]. 电子机械工程, 2013, 29(6): 23-26.

[2] 钱宣, 孙为民, 方红梅. 机载有源相控阵雷达天线阵面结构设计[J]. 现代雷达, 2012, 34(9): 66-68.

[3] 邱成悌, 赵惇殳, 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2001.

[4] 任开锋, 李凤英, 宋志行, 等. 某机载雷达相控阵天线结构设计[J]. 电子机械工程, 2010, 26(2): 43-46.

[5] 唐敖, 向华平. 某机载雷达的热设计及仿真优化[J]. 电子机械工程, 2011, 27(2): 20-22.

宋 敏(1970-)，女，高级工程师，主要从事雷达总体结构研究工作。

胡劲松(1981-)，男，高级工程师，主要从事雷达天线结构设计。

Structural Design of High Precision AirbornePhased Antenna

SONG Min，HU Jin-song，WU Wen-zhi，ZHANG Rong-ming

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

A high frequency airborne antenna is expatiated as an example to introduce the features and key technology of high precision antenna structural design. Antenna system composition and equipment integration method is introduced. The detachable integrated column module, Structural & thermal design of the antenna framework, and hermetical design of the antenna′s equipment are described in detail especially. The rationality of the structural design has been proved by the FEA, and the stiffness and strength can meet the design requirements.

airborne antenna; structure design; finite element analysis; thermal design; hermetical design

2016-01-23

TB123; TN959.73

A

1008-5300(2016)03-0026-05