某全金属阵列天线阵面的集成制造工艺技术

2021-05-18朱丽娜

机械设计与制造工程 2021年4期

朱丽娜

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088)

超宽带是一种以占空比很低的冲激脉冲作为信息载体的无载波通信技术。超宽带具有传输速率高、发射功率低、多极分辨率高、电磁兼容性好、系统安全性好及成本低等优势，因此随着通信系统和移动平台的发展，社会对超宽带天线的需求将不断增加[1]。Vivaldi天线作为一种典型的超宽带天线，具有端射、工作频带较宽、增益较高、方向图波束对称等特点，此外它还具有剖面低、质量轻、易于制作、便于共形、便于和微波电路集成等优点，在微波和毫米波波段得到广泛的应用[2]。本文论述的全金属阵列天线阵面采取了有源相控阵体制的金属Vivaldi天线阵列，具有超宽带、低剖面等特点，可以实现雷达、通信等多种功能。

1 天线的结构形式及工艺性分析

全金属阵列天线阵面口径尺寸约为8 460 mm(水平)×3 994 mm(垂直)，天线振子分布安装在反射板上，反射板安装在天线骨架上。天线阵面布局图如图1所示。

图1 天线阵面布局图

天线振子采用金属Vivaldi结构形式，尺寸为200 mm(宽)×405 mm(高)×8 mm(厚)，质量要求小于1 kg，为了减重，天线振子内部设计了大量的减重孔。工艺上要保证2个相邻天线振子装配后形成的辐射缝最小宽度尺寸为3.2 mm，装配精度要控制在±0.2 mm以内，同时还要保证天线振子制造的一致性和密封防护要求。

反射板整体外形尺寸为8 460 mm(长)×3 994 mm(宽)×16 mm(厚)，通过螺接的方式安装在天线骨架上，同时反射板上加工了大量的安装接口和孔位，且精度高(形位精度±0.05 mm)，对于机械加工具有较高的要求。

2 天线阵面工艺性设计及制造

2.1 天线振子的设计及制造

本天线阵面共有672个天线振子，按42(方位)×16(俯仰)的形式排列，天线振子方位向间距为200 mm，俯仰向间距为250 mm。天线振子采用全金属Vivaldi结构形式，尺寸为200 mm×405 mm×8 mm。经过电讯仿真优化设计和结构优化设计，综合考虑天线振子制造、安装要求，电讯意义上的天线振子由2个结构意义上的天线振子装配组成，如图2所示。

天线振子由支撑板、安装板、振子、聚四氟乙烯支撑块组成，结构尺寸为200 mm(长)×405 mm(宽)×32 mm(厚)，其中振子本体厚度为8 mm。振子主体采用定位销进行定位，并采用螺钉紧固在安装板上，支撑板安装在振子本体上，根据设计要求，相邻两个天线振子之间形成的辐射缝最小宽度尺寸为3.2 mm，同时公差要控制在±0.2 mm以内。为防止辐射缝积水造成天线阵子短路，设计时用聚四氟乙烯板填充辐射缝。图2为天线振子在阵面上的安装示意图。连接器安装在底板上，穿过底板预留的孔与振子连接，天线振子与连接器内导体连接处需要进行密封防水设计，本文采用局部灌胶的工艺方式进行处理，同时连接器选用密封防水型连接器[3]。

图2 天线振子结构示意图

考虑到质量要求，天线振子选用8 mm厚的5A06铝板，安装板选用20 mm厚的5A06铝板，两者都采用高速铣精密加工成形，精密加工方法主要包括去应力热处理和粗精铣，其中去应力热处理是去除零件加工过程中产生的残余内应力，避免精铣后的尺寸变形。本文采用真空吸盘装夹方式和数控精密铣削方法加工零件外形、减轻腔及安装孔、定位孔时，应保证定位孔的定位精度优于±0.03 mm。结合零件材料强度低、结构形式刚性较弱的特点，采用小切深、快进给的高速切削加工技术，避免零件在加工过程中的热变形及切削力变形。加工时除了要选用高速加工设备，同时还应采用精密零件程序设计技术、程序仿真技术、切削参数优化技术等手段来保证零件需要的加工精度。

2.2 反射板的设计与制造

反射板采用实体板的结构形式，是天线阵面的主承力件，整个阵面由14块反射板拼接而成，单块反射板尺寸为1 210 mm×2 000 mm×16 mm，结构设计图如图3所示。天线反射面上需要加工天线振子安装接口、天线罩安装接口、连接器接口及减重凹台等。

图3 天线反射板结构设计图

反射板需要在大型数控机床上整体加工成形，重点是保证各个安装接口的形位精度和加工后整体平面度满足设计要求。反射板工艺方案设计的关键是零件加工过程的均匀加载和翻转、运输过程的保形，采取的技术措施主要有：设计高平面度工装平板，采用螺钉密集压紧方式实现铣削过程的均匀可靠装夹；设计保形工装、专用吊具、运输保形工装，控制零件翻身、吊装、运输等过程的变形；采用高速铣粗加工和精加工的方式实现低应力、微变形材料切削，加工过程中通过合理设置工艺装夹位置，以及多次不同的工艺装夹方法，实现零件加工过程的稳定，受力均匀；采用高精度垫板固定，分次切削逐渐实现一面高精度成型，并同时完成安装孔加工和两面共用测量基准加工。反射板加工工艺流程如图4所示。

图4 反射板加工工艺流程图

2.3 天线的装配工艺及密封设计

为了保证天线振子之间辐射缝间距和天线振子悬臂处的刚强度及垂直度要求，在天线振子上增加了3个介电常数较低的聚四氟乙烯板作为支撑材料，同时兼顾振子悬臂处的密封。在天线的装配工艺流程中，装配顺序也很重要，首先应通过定位销定位，将天线振子安装到安装板上，再安装固定支撑板，然后将天线振子安装到反射板上，其中安装两个相邻天线振子时，螺钉暂不拧紧，采用游标卡尺测量间隙，保证间隙满足(3.2±0.2) mm的要求，依次拧紧螺钉，直到所有天线振子安装测量完毕，最后安装聚四氟乙烯支撑块，保证天线振子悬臂处的刚性。

天线振子与连接器内导体连接处采用密封防水设计，防止雨水侵蚀导致电性能衰减，将聚四氟乙烯材料支撑板设计成胶池，用703硅橡胶灌封，灌封部位如图2所示。703硅橡胶的特点是常温固化、富有弹性、使用方便安全，并具有优良的耐老化、防潮和粘接性能。连接器选用防水密封连接器，连接器底部有密封圈，安装在安装板上后，可保证连接器密封可靠，天线振子连接器和电缆连接器之间的连接采用螺纹连接方式，外表面加热缩套管保护[4]。

2.4 天线振子辐射缝宽度精度分析与控制

主阵面天线由反射板、天线振子、连接板等装配而成，如图5所示，相邻两个天线振子之间的辐射缝宽度尺寸为3.2 mm，公差要求控制在±0.2 mm以内。

图5 主阵面天线装配图

天线振子辐射缝宽度的误差主要由以下几个原因造成：

1)反射板上的定位孔加工误差。

反射板上用于天线振子定位的定位销孔是通过机械加工得到的，定位销孔之间的距离误差δX1应控制在±0.03 mm以内，如图3所示。

2)天线振子加工误差。

天线振子由天线振子本体和安装板组成，本体与安装板之间通过定位销定位安装，如图2、图6所示。天线本体宽度方向的加工误差δX2可控制在±0.03 mm，天线本体的2个定位销孔关于天线本体宽度方向中心线之间的对称度δX3可控制在±0.03 mm以内。天线振子安装板上有2组定位销孔，一组(记为第一组)用于与天线振子本体与安装板之间的定位，另一组(记为第二组)用于天线振子与槽铝之间的定位。安装板上第二组定位销孔的对称线关于第一组定位销孔的对称线的对称度δX4可控制在±0.03 mm以内。

图6 天线振子和安装板结构设计图

3)天线振子装配误差。

天线振子装配误差除了天线振子本体与安装板之间的装配误差，还包括天线振子安装到反射板时的装配误差。由于天线振子本体与安装板之间和天线振子与反射板之间都是通过定位销定位，因此通过成熟的装配工艺，可以使天线振子本体与安装板之间的装配误差δX5控制在±0.03 mm，天线振子安装到反射板时的装配误差δX6控制在±0.03 mm。

采用完全互换法解尺寸链时，天线振子辐射缝(由结构意义上的2个相邻天线振子安装后形成)宽度的误差δX为以上误差的累积[5]，即：

δX=δX1+δX2±δX3±δX4+δX5+δX6=(±0.03)+(±0.03)±(±0.03)±(±0.03)+(±0.03)+(±0.03)=±0.18≤±0.2(mm)经过误差分解计算分析可知，天线振子辐射缝宽度的误差约±0.18 mm，满足小于±0.2 mm的指标要求。