一种基于有源子阵的车载天线系统结构设计

李润生

摘   要：文章以发射天线阵面为例，结合技术指标要求，从总体思路、系统布局、子阵的划分以及主要部件设计等方面，详细介绍了该可扩展天线阵面的结构设计，为其他同類产品研制提供了一定的经验和思路。

关键词：有源子阵;车载天线系统;结构设计

1    开放式阵面系统研发背景

有源相控阵系统未来的发展趋势是将雷达、电子战、遥感和通信等多项功能综合融入单一有源相控阵雷达。为适应现代战争的需求，需要构建开放式阵面系统，系统实现可重构、可扩展功能，根据作战需求调整阵面规模和阵面功能，满足现代雷达性能提升要求[1]。

某车载测量雷达采用有源相控阵体制，天线系统由收、发分置的两块天线阵面组成，两块天线阵面外形尺寸相同，均为2.5 m×2.5 m×0.14 m（见图1）。

两者设备组成也基本相同，均采用子阵式集成方式，通过扩展子阵规模可实现产品升级和产品系列化需求。

以发射天线阵面为例，其组成设备包括一体化子阵、天线骨架、功分网络、液冷管网、整机电缆、天线罩以及维修门等部分。一体化子阵为有源子阵，包含子阵辐射天线、多功能冷板、发射模块、综合馈电网络、多功能模块等器件。

下面将结合主要设计要求，分别对一体化子阵、天线骨架以及天线阵面密封设计进行介绍。

2    主要设计要求

（1）有源天线系统的工作波段位于X波段范围内，最大辐射口径为2 336.9 mm×2 336.9 mm。

（2）工作环境较为恶劣，天线阵面需要具备一定的防潮、防霉菌、防锈蚀、防风沙、防冻等一系列防护性能。

（3）基于安全性考虑，要求天线阵面在6级风（13.8 m/s）情况下，保证设备运行满足精度要求;在12级风（32.6 m/s）情况下，保证设备不被破坏。

3    总体思路

（1）基于可扩展、可重构需求，天线系统主要考虑子阵式集成思路，因此，一体化子阵是整个天线系统的核心部件，整个天线阵面的结构设计应围绕一体化子阵的设计通盘考虑。

（2）有源相控阵天线通常集成大量有源设备或器件，当环境条件较为恶劣时，天线阵面的防护尤为重要，因此，对于本文所述天线阵面来说，密封防护设计是需要放在首位考虑的。根据环境指标要求，需要对天线阵面进行整体水密级设计。

（3）由于天线布局特殊，为了不遮挡天线背部的维修空间，保证能够从天线背部打开维修门进行正常的设备维护，天线背架不能为天线阵面布置斜向支撑，只能沿俯仰向提供3处安装接口，这将带来两个问题：第一，同等自重和风载情况下，连接处的应力更高。第二，同等自重和风载情况下，天线阵面法向形变更大。

因此，无论是出于安全性考虑，还是出于指标符合性考虑，减轻重量和提高刚性对天线阵面的设计来说都至关重要，必须要体现在具体设计环节中。

4    发射天线阵面系统布局设计

2 336.9 mm×2 336.9 mm为发射天线阵面最大的有效电口径，沿阵面中心可分成4个对称区域，综合考虑天线辐射口径、天线布阵特点、加工性以及成本等因素，将天线辐射阵面划分为36个子阵辐射天线，以子阵辐射天线的外形尺寸来确定一体化子阵的外形尺寸，同时，将天线阵面设备按照36等分分配到每个子阵中形成一个有源子阵模块。

图2为发射天线阵面组成设备布局，主要设备大体上为分层布置，从上至下分别为天线罩、一体化子阵、天线骨架、维修门。一体化子阵以“前装后固定”的方式安装于天线骨架前端面，功分网络、液冷管网和整机电缆布置于天线骨架内部。

5    一体化子阵结构设计

5.1  子阵架构设计

一体化子阵采用片式架构，主体支撑为多功能冷板，冷板前端安装子阵辐射天线，冷板后端安装发射模块和多功能模块，综合馈电网络安装于天线与冷板之间的夹层，如图3所示。子阵安装完成后，所有有源器件（发射模块和多功能模块）伸入骨架内部，打开维修门即可实现后端修护和更换。

子阵辐射天线为裂缝天线，采用薄板钎焊成型;发射模块为单通道模块，采用气密级密封设计;多功能冷板内部集成液冷管道，发射模块和多个功能模块可通过盒体与冷板之间的热量交换实现散热。

5.2  子阵电连接

由于子阵内部各设备电接口数量较多，相互之间的连接复杂。子阵电连接设计应满足各设备之间电连接的可靠性、高故障率设备的维修性及电缆的可视性等方面的要求。

为降低损耗，发射模块输出电信号到天线单元采用盲配连接的形式实现;同时，在发射模块的输入端，来自综合馈电网的电信号（1路射频，1路低频）同样通过盲配连接实现;多功能模块与综合馈电网络之间通过固定在多功能冷板上的转接插座实现信号传输。这样一来，大量低频线缆隐藏在子阵辐射天线与多功能冷板夹层中，装配完成后，子阵背部基本可以满足电缆可视性方面的要求。

6    天线骨架

天线骨架结构尺寸为2 500 mm×2 500 mm×140 mm，骨架前端面安装一体化子阵及天线罩，后端面安装维修门，内部布置功分网络、液冷分配器、电缆及液冷管网等设备，天线骨架外形，如图4所示。

发射天线系统中，天线骨架作为整个有源阵面主支撑结构以及抗外部荷载的主承力结构，有精度要求高、刚强度高、温度变形均匀、重量轻等设计要求。此外，由于天线子阵无法实现单独密封，天线骨架还应具备可密封的条件。针对上述要求，选择框架式受力体系作为天线骨架，主承力截面采用工字型梁形式。

受天线阵列布阵特征、有源模块集成方式及子阵安装方式的影响，天线骨架内部呈平行四边形网格构型。此外，由于天线子阵背部设备伸入骨架内部，部分器件与天线骨架之间的间距较小，为保证装配性，部分工字梁翻边处需适当加工，修整部分网格开档尺寸。

天线骨架采用C型截面梁及“工”字形截面梁或焊接成型，其中，四周主梁为C型截面，中间十字主梁及各辅梁均為“工”字型截面，所有截面梁选用铝5A06板材铣削加工成型。

天线骨架最终的外形尺寸、一体化子阵安装面以及天线系统对外的所有机、电、液接口通过焊接后进行二次铣削加工满足其要求。骨架内部用于安装功分网络、液冷分配器及固定电缆、液冷管网的所有接口与其所依附的零件一同加工成型。

7    密封设计

受天线单元间距影响，子阵之间的空间无法满足子阵单独密封设计所需结构尺寸要求，因此，需要对天线阵面进行整体密封设计，具体采用了以下措施。

（1）所有有源器件均进行密封设计，其中，发射模块盖板和连接器处均采用焊接工艺，可保证一定的气密性;多功能模块盖板处和连接器处均使用密封圈，内部器件均进行“三防”处理。

（2）天线骨架采用焊接成型，避免铆接带来的密封问题。

（3）采用天线罩加密封圈的方式进行前端密封，同时，天线罩选择一体成型，具有较好的刚性，也能够更好地保证密封效果。

（4）利用铝骨架加工优势，所有外部安装孔（天线罩、转接板、维修门的安装接口）在设计初期便按照盲孔考虑，充分保证设计空间，避免了传统薄板钢骨架外部安装孔工艺密封不可靠的现象。

8    结语

本文根据阵面可扩展、可重构要求和系统设备组成特点，从子阵结构划分、系统架构等方面介绍了一体化子阵结构设计。同时，通过采用一种轻质、高刚性铝骨架结构设计方法和天线阵面整体密封设计技术，满足了产品的使用需求和设计要求，为该类型雷达天线阵面的设计提供了一定的经验。

[参考文献]

[1]唐宝富，钟剑锋，顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.

Vehicle-mounted antenna system based on active sub-array architectural design

Li Runsheng

（China Electronic Science and Technology Group， Thirty-eighth Institute， Hefei 230088， China）

Abstract：The paper introduces the structure design of the surface of the extended antenna array from the aspects of general idea， system layout， sub-array division and main component design， taking the surface of the transmission antenna array as an example and combining the technical index requirements.It provides some experience and thought for the development of other similar products.

Key words：active sub-array; on-board antenna system; structural design