某有源相控阵气象雷达天线结构设计*

陈应春，冯 喆，宋晓斐，何 军

(1. 南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100； 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

目前军队和地方气象局现役天气雷达主要采用机械扫描天线。该天气雷达仅有单个波束，完成一次空域探测通常需要8 min，对于雷暴、下击暴流、风切变等危险天气，因其尺寸小、变化速度快、导致无法及时获得危险天气的精细化三维结构，所以影响对危险天气的识别和监测预警。

相控阵体制雷达经过50年的发展，已经从无源相控阵发展到有源相控阵，又发展到数字阵。它采用电的方式控制雷达波束的指向变化来进行扫描，这种方式被称为电扫描，它比机械扫描更优越[1]。另外相控阵雷达容易实现数字波束形成，与电子计算机相配合，能同时搜索跟踪不同方向，不同高度的多批目标。

有源相控阵雷达天线虽然功能全面，战术指标优良，但造价很高，高昂的价格限制了该类型雷达天线的应用。目前，世界各国研发的有源相控阵雷达天线更多的是在总体成本和战术指标之间寻找平衡[2]，在资金有限的条件下，通过结构优化设计以及组件高度集成化、通用化等降低总体成本[3]。民品市场竞争激烈，能否设计出高性能、低成本的有源相控阵天线关系到企业的生存发展，更关系到有源相控阵天线在民品市场中的应用与推广。

本文分析了民用气象雷达天线的结构设计需求，根据其结构设计特点，设计了一种性价比更高的有源相控阵天线结构，很好地满足了气象雷达系统的需求。

1 天线阵面结构设计需求

根据电讯总体的要求，天线阵面主要包括：296根裂缝波导、4个反副瓣天线、边侧高频箱、天线骨架、配重块等。天线阵面的结构设计需要重点考虑以下几个方面：

1)在阵面大小不变的情况下，需要提高天线增益，提升天线威力，增大天线探测距离，因此需要更低的损耗要求。

2)由于高频箱挂在阵面边侧，形成悬臂梁结构，使得天线阵面受力状况很差，而天线阵面的平面度(峰值)要求≤±1.5 mm，因此天线骨架需要设计成高刚度的结构。

3)该天线阵面包含296根裂缝波导，相互位置关系为：长度方向对齐，误差ΔX≤±0.1 mm；宽度方向间距29 mm，误差ΔY≤±0.1 mm。

4)该天线阵面包含37个大尺寸的8通道T/R组件，如何将37个T/R组件装入边侧高频箱，同时又能兼顾电缆走线，对高频箱内部布局提出了很高的要求。

5)由于电缆布线路径影响天线阵面的整体外观和电缆长短，因此需要通过三维布线准确地、直观地模拟出电缆具体走线路径和电缆长度。

6)大型地面天线的吊装方式关系到天线阵面的运输和架设，其吊点的设置影响天线阵面具体结构设计。

7)样机合格后，可能大规模推广，因此在结构设计时，需要优先选用成熟且简单的生产工艺，压缩零部件和原材料的品种和规格，节省生产成本，缩短生产周期[4]。

2 天线阵面结构布局

某有源相控阵气象雷达天线为新一代C波段气象雷达天线，它是为满足首都机场天气实时预报需求而新研发的相控阵雷达天线，其口径为8.6 m × 8.6 m，由296根波导缝隙天线组成，为了缩短波导缝隙天线到高频箱的传输线长度，需要将高频箱挂在阵面边侧，高频箱内部设备多，总质量近1 t，而天线阵面的平面度要求又高，因此天线阵面总体布局很关键。通过有限元仿真优化设计，在天线阵面中部增加桁架结构，两侧增加10个撑杆，以减小天线阵面变形，同时通过合理的阵面分块方便吊装和运输，如图1所示。天线阵面主要包括裂缝波导天线、副天线、天线骨架、边侧高频箱、中间高频箱、配重块等。天线骨架作为整个天线阵面的主要承力部件由天线背架、天线桁架和撑杆组成。

图1 天线阵面结构布局示意图

传统有源相控阵天线结构布局通常将高频箱安装在阵面中间位置，而且做得非常大，导致高频箱成本极高。另外，拉长了波导缝隙天线到高频箱的传输线长度，不仅增加了损耗，而且成本也提高不少，传输线越多，成本越高。与传统相控阵结构布局相比，该天线阵面结构布局采用将高频箱挂在天线阵面边侧，缩短了296根射频传输线的长度，降低了传输线的成本，同时将高频箱分成相同的4块，优化内部结构，降低了高频箱的成本。但是该结构形式需要增加配重块来平衡天线重心，导致天线总重量的增加。

3 天线阵面结构详细设计

本文根据天线阵面结构设计需求，针对结构设计难点，仅对天线骨架、边侧高频箱、裂缝波导天线、三维布线和阵面吊装进行了叙述。

3.1 天线骨架

天线骨架作为整个天线阵面的主要承力部件，既要保证天线阵面在使用环境下结构不被破坏，又要确保天线阵面能够保持高精度的电讯性能[5]。天线骨架由天线背架、天线桁架和撑杆组成，如图2所示。天线背架通过精加工其安装面保证裂缝波导的安装位置精度；天线桁架采用不同规格的铝管焊接成空间结构，质量轻、刚度高，它连接天线座并支撑天线背架；撑杆采用钢管和钢接头焊接而成，它支撑天线背架两侧，克服边侧高频箱重力带来的阵面变形，同时在现场总装时可以施加预应力，作为调节天线阵面平面度的一种手段。

图2 天线骨架示意图

3.1.1 天线背架

天线背架是天线骨架的重要组成部分，其正面安装裂缝波导天线，背面的两侧安装边侧高频箱和配重块，同时背面的中间位置与天线桁架相连，因此必须具有较强的抗变形能力和在各种环境下的生存能力。天线背架的外形尺寸为8 270 mm × 8 584 mm(宽×高),为了满足天线结构的加工和运输要求，将天线背架在高度方向上均分为4块。单块框架的尺寸为8 270 mm × 2 146 mm(宽×高)，由工字铝、槽铝和连接板拼焊而成，具有较轻的质量和良好的刚强度。焊接完成后对安装面进行机加工，保证天线装配的精度要求。块与块之间采用定位销和螺栓组合连接。

3.1.2 天线桁架

天线桁架是天线骨架的重要部件，用来连接天线背架和天线座，加强天线阵面刚度，保证天线阵面精度，尺寸约为8.3 m(高)× 2.8 m(宽)× 0.6 m(厚)，采用不同管径的铝管整体焊接而成，通过有限元力学仿真分析，在部件尺寸、几何形状和拓扑结构等方面进行结构优化设计，使天线桁架结构质量轻、刚强度高、成本低。

3.1.3 撑杆

撑杆是天线骨架的关键部件，它能够调节天线阵面平面度，支撑天线背架，保证天线阵面整体刚度。撑杆采用钢管和钢接头焊接而成，钢管直径60 mm，壁厚3 mm，内置螺纹调节机构可以调节撑杆长度。在天线阵面总装时，根据有限元力学仿真数据分别调节10根撑杆长度，施加预应力，克服边侧高频箱重力影响，保证天线阵面在60°工作状态下平面度≤±1.5 mm。

3.2 边侧高频箱

在天线阵面规模不变的情况下，为了提高天线增益，提升天线威力，增大天线作用距离，将高频箱挂在天线背架的边侧，又称为边侧高频箱。它极大地缩短了传输线长度，减小天线阵面的损耗，同时降低了成本，不过由于挂在阵面边侧，考虑到重量和稳定性等因素，其尺寸不能做大。边侧高频箱内部需要安装大量器件，其中T/R组件数量多(37个)，尺寸大，给高频箱的布局带来不小的困难，另外还需要考虑T/R组件的散热和维护，因此边侧高频箱的结构设计很关键。

3.2.1 边侧高频箱布局

与天线背架的分块方式相似，边侧高频箱也分为4个尺寸相同的箱体，便于挂接在天线背架上。单个高频箱的外形尺寸为2 120 mm × 570 mm × 500 mm。根据T/R组件的尺寸和数量，高频箱内部双层布局，最多可以安装10个T/R组件，每层5个，2 层T/R组件之间用于电缆走线。

3.2.2 边侧高频箱结构设计

边侧高频箱采用铝板加工然后拼装而成，其内部均分成5个格档，每个格档内可以安装2个T/R组件(T/R组件采用盲插方式进行安装)，2个T/R组件之间用于电缆走线，电缆捆扎在扎线板上。高频箱8个角上都有吊耳安装接口，用于安装吊耳，便于高频箱吊装。如图3所示。

图3 边侧高频箱正面示意图

采用强迫风冷方式进行散热，2 层T/R组件共用风道，风道与壁板一体化设计，减轻质量，保证刚度；风道中安装过线管，用于电缆走线，防止雨水进入高频箱，如图4所示。T/R组件采用盲插对接，在保证可靠连接的同时，维修性大幅提高。

图4 边侧高频箱背面示意图

3.3 裂缝波导天线

裂缝波导天线由裂缝波导、同轴变换、负载、波导托架和防护罩等组成。

天线阵面由296根裂缝波导天线组成，相互位置关系要求苛刻(长度方向对齐，误差ΔX≤±0.1 mm，宽度方向间距29 mm，误差ΔY≤±0.1 mm)，而裂缝波导的长度很长(约8.6 m)，对温差变化敏感，由温差引起的长度伸缩量为：

ΔL=αLΔT

(1)

式中：α为线膨胀系数；L为波导长度；ΔT为温差。

从材料手册中查得铝材的线膨胀系数约为23.2×10-6m/℃，江苏境内冬夏温差取35 ℃，计算得出裂缝波导长度伸缩量ΔL=23.2 × 10-6× 8.6 × 35 ≈ 7 mm。

296根裂缝波导天线在阵面中的相互位置关系直接影响天线阵面的整体电性能指标，对后期的电讯调试和相位补偿都有很大影响，因此结构设计时需要保证296根裂缝波导天线的位置精度，同时又要避免由于裂缝波导伸缩引起的装配干涉问题。

裂缝波导上胶接10个托架，整体安装在天线背架上，每个托架上有一个定位销，在与之相配的天线背架上起始位置开定位销孔，保证296根裂缝波导天线在长度方向上对齐；在天线背架上其余9个对应位置开定位腰孔，保证裂缝波导天线在宽度方向上定位，长度方向上释放约束，避免由于裂缝波导伸缩引起无法装配的问题。

3.4 三维布线

三维布线技术是根据电气接线图和三维结构模型，使用三维设计软件进行空间立体线缆布设的技术，能很好地解决传统二维布线在准确性，直观性、快捷性等方面的问题[6]，在很多产品设计中，均有应用。本天线阵面中高频箱内部布线及外部布线关系到射频电缆长短和天线阵面的整体美观性，因此对边侧高频箱到裂缝波导天线这一段射频电缆进行三维布线具有重要意义。

3.4.1 边侧高频箱内部布线

监测1分8功分器与T/R组件盲插连接，然后通过射频电缆与裂缝波导天线连接，其箱内布线指监测1分8功分器到高频箱出线口这一段射频电缆的布线，如图5所示。来自上层监测1分8功分器的电缆穿过过线管，从侧门出线；来自下层监测1分8功分器的电缆直接从高频箱底部出线。高频箱内部分层布线，路径清晰，互不干扰，便于安装。

图5 边侧高频箱内部布线示意图

3.4.2 边侧高频箱外部布线

边侧高频箱底部到裂缝波导天线距离只有150 mm左右，还需要安装充气管，布线空间狭小，布线相对复杂，如图6所示。

图6 边侧高频箱外部布线示意图

采用分层布线方式，合理利用空间，将充气管、下层电缆和上层电缆分开布置，层次清晰，外形美观，便于安装与检修。

3.5 阵面吊装

大型天线阵面的吊装方式关系到其运输和架设是否方便，吊点的设置也影响到天线阵面具体结构设计。该天线阵面吊装包括子阵吊装和整体吊装。

3.5.1 子阵吊装

根据天线背架的分块方式，将天线阵面分为4块，又称为1/4子阵，每个子阵单独吊装。吊耳固定在天线背架的节点处，从2 根裂缝波导天线之间的缝隙中穿出来，无需拆装裂缝波导天线。如图7所示。

图7 1/4子阵吊装示意图

3.5.2 整体吊装

为了避免高空作业，保障工人的人身安全，同时提高装配效率，缩短装配周期，天线阵面在地面进行拼装。拼装完成后，在天线桁架上下两端安装吊耳，采用2 台吊机整体吊装到天线座上。如图8所示。

图8 天线阵面整体吊装

4 结束语

有源相控阵雷达在气象雷达领域的应用会越来越

广阔，应根据需要在战术指标和成本之间选择最佳的规模和最适合的结构形式。有源相控阵气象雷达的成本还可以进一步的降低，总体布局优化、内部组件模块化，内部结构集成化都是降低成本的有效途径。本文设计的有源相控阵气象雷达结构，可为类似产品的结构设计提供一种思路，有一定的借鉴意义。