某型Ka波段调频连续波雷达结构设计

2021-07-21刘永宁王家明胡城镇

火控雷达技术 2021年2期

吴良龚伟刘永宁王家明胡城镇

(安徽四创电子股份有限公司合肥 230009)

0 引言

Ka波段调频连续波雷达(简称Ka连续波雷达)是一种新研制的测云雷达。该雷达工作于Ka波段，采用双极化技术和线性调频连续波体制，利用云滴粒子群对电磁波的散射作用和退极化效应，实现对本场上空20km范围内云的高密度、精细化探测，实时获取探测范围内云目标的位置、分布、强度、云滴粒子群相对于雷达的平均径向运动速度和速度谱宽以及线性退极化比等相关信息。

Ka连续波雷达具有峰值功率低、距离分辨率高、无距离模糊、探测盲区短、设备相对简单等技术特点，主要就是利用调频连续波雷达具有的高精细测距、测速能力对云目标进行精细化探测和研究。该雷达作为一个低功率、高分辨率的微波遥感设备在气象探测方面应用优势明显，对开展相关气象研究具有重要的积极意义。

文中将在前人研究工作基础之上，采用自顶而下的设计流程，并针对某型Ka连续波雷达结构设计中的天线骨架轻量化设计，高精度天线设计，高疏水性天线罩设计，环控设计进行论述，采用先进的测量仪器和仿真分析软件，保障了雷达的高精度指标要求和环控性能要求。

1 雷达结构总体设计

1.1 雷达结构设计要求

1)工作温度：-40℃～+50℃(室外)；

2)储存温度：-50℃～+70℃；

3)抗风能力：工作风速 ≤35m/s；

4)天线口径：550mm，天线中心距750mm；

5)天线主反射面面精度和副反射面面精度高，天线同轴度好；

6)重量轻、方便运输、易架设。

1.2 雷达设备组成

Ka连续波雷达由室内设备和室外设备两部分组成，室内设备为一台高性能计算机，室外设备由4个部分组成：天线骨架、两个卡赛格伦天线(分别为发射天线和接收天线)、电子设备(包括发射机、接收机、信号处理、控制组件和电源组件)、两个天线罩。

1.3 雷达结构总体设计

在满足电讯指标要求前提下，采用简洁的结构形式及成熟的工艺技术，以降低研发成本及风险，缩短研制周期；采用轻型化材料，减轻雷达整机重量，减小雷达外形尺寸，以方便运输和架设，在上述原则的指导下，天线骨架主体结构使用铝型材拼接构型，在其外部安装蒙皮结构以增加防护性能；卡塞格伦天线使用ZL101A低压铸造成型，精加工后分别安装于天线骨架的顶部平台之上，发射天线下部骨架内安装发射机和电源组件，接收天线下部骨架内安装接收机、信号处理和控制组件。天线罩采用圆筒结构，侧壁为铝合金板焊接而成，顶部为高透波材料，雷达总体结构见图1所示。

图1 Ka连续波雷达结构示意图

雷达的外形尺寸为1500×700×1100(长×宽×高，单位mm)，小型货车即可完成转场运输，雷达总重量约60kg，短距离可以采用人工搬运；雷达阵地表面平整度要求不高，一般的水泥混凝土地面或者能经受雨水冲刷的土质地面即可满足要求，架设时可以利用天线骨架底部的4根万向调节支腿进行调平，通过观察天线骨架上纵横布置的两根水平仪来检验天线架设的水平度。

2 雷达结构分部设计

2.1 天线骨架结构设计

目前大多数天线骨架采用焊接或铸造的方法加工，轻量化雷达多采用铝合金材料，然而焊接或者铸造对外协厂家的生产技术要求较高，不利于成本的控制。利用工业铝型材拼接的方法加工，工艺简单且成本低廉。工业铝型材材质为6063，表面经过阳极银白氧化处理，美观且抗腐蚀性能优异，铝型材之间使用角件、T型螺栓和弹性螺母连接，铝型材自带安装槽，除按要求尺寸切割成不同长度外，无需进行其他加工。

依据设计要求将天线骨架分为三个部分：支撑框架、发射天线框架、接收天线框架，结构示意图见图2所示：图中天线安装板和水平仪安装板表面同基准加工，雷达架设过程中通过调节底部的万向支撑，使得纵横水平仪水泡居中，接收天线和发射天线在同一水平面且指向相同。

图2 天线骨架示意图

天线安装板和水平仪安装的平面度和平行度要求高，使用三坐标仪进行检测。

2.2 卡赛格伦天线设计

发射天线和接收天线结构基本相同均包括主反射面、馈源、波导、副反射面、副面支撑五个部分，见图3所示，馈源和副反射面安装于主反射面的中心轴线上，三者的同轴度要求很高。主反射面与波导，波导与馈源之间均设计有定位结构，保证三者之间的同轴度达到要求。副面支撑安装时，需制作专用对心工装，副面支撑安装后，副反射面安装于中心孔中，从而实现主副反射面同轴。

主反射面口径550mm，厚度120mm，见图4所示，因减重需要，整个反射面除去加强筋外，其余厚度在5mm～6mm之间。主反射面若使用铝板机加工，则加工量大、作业时间长，不利于批量化生产；对于复杂的结构件，利用铸造的加工方法效率高，易批量生产。主反射面铸造成型后再对反射面和底部固定面的精加工处理，低压铸件内部致密、孔隙数量少[1]能够很好的保证精加工后的面精度。

图4 反射面结构示意图

Ka连续波雷达属于毫米波雷达，天线的精度要求很高，依据波长对反射面进行网格划分，主反射面共有1373个检测点，副反射面(口径50mm)共有139个检测点，如此多的检测点，必须借助高精度的自动化检测仪器，三坐标仪可以胜任此工作。天线结构中的反射面与馈源、馈源与副反射面、主副反射面之间的同轴度亦可以使用三坐标仪进行测量。

2.3 天线罩设计

天线罩是雷达系统的重要组成部分，它可以在雷达天线的周围形成一个封闭的空间，以保护雷达天线系统免受大气环境的直接作用。天线罩的设计应考虑雷达的频段、天线的结构形状、电磁波入射角、透波率、结构力学、疏水性等因素。

2.3.1 天线罩电性能设计

鉴于此次设计的Ka连续波雷达天线口为550mm，设计内径570mm的圆柱形天线罩，连续波雷达的工作特性需求增加发射天线和接收天线的隔离度，故天线罩的侧壁使用金属材质，顶部选用高透波性的非金属材质。

天线罩侧壁选用铝合金材质可以大大减轻天线罩的重量，侧壁使用厚度2mm的防锈铝合金板，卷制成圆筒形，对接边开坡口使用氩弧焊焊接，焊缝与板面平齐。天线罩侧壁上下面均焊接圆形法兰盘，上部安装天线罩顶盖，下部与天线骨架固定，固定面均安装密封垫圈，以防止雨水进入。

天线罩顶盖材料选择首先要考虑电性能，必须具有良好的透波性，其“介电常数”和“介电损耗角正切”这两个参数值要小，Ka连续波雷达的天线罩透波率需大于95%，结合顶盖的安装方式和使用要求，顶板材料选用聚四氟乙烯板，其介电常数ε=2.2，介电损耗角正切tgδ=0.006。

天线罩顶板透波率│T│2受厚度d，入射角θ、反射率Γ、热损耗Q等影响[1]。顶板厚度d按公式(1)计算得

d=nλ/[2(ε-sin2θ)1/2]

(1)

其中n—整数，n=1,2,3…；

ε—介电常数；

λ—电磁波波长；

θ—电磁入射角，当电磁波垂直于顶板时θ=0°(实际应用中入射角0～35°范围内，对天线罩性能影响很小，计算时θ均可以取0°)。

Ka连续波雷达波长λ为8.6mm，计算可得d=2.9mm，顶盖悬空部位直径为570mm，厚度2.9mm的聚四氟乙烯板挠度变形较大，故顶盖厚度选用5.8mm。

顶盖反射率Γ由公式(2)估算得到。

│Γ│2=[(ε-1)ΠΔd/λ]2

(2)

其中│Γ│2为天线罩反射率；Δd为厚度工艺误差，顶盖板使用10mm厚聚四氟乙烯板精加工，加工误差取0.2mm。

经公式(2)计算得│Γ│2=0.77%。

顶盖板热损耗Q由公式(3)估算得

Q=2Πdε1/2tgδ/λ

(3)

其中Q为天线罩热损耗；tgδ为介电损耗角正切。

经公式(3)计算得Q=0.038。

顶盖板透波率│T│2有公式(4)估算得

│T│2=(1-Q)(1-│Γ│2)

(4)

经公式(4)计算得│T│2=95.5%满足电性能要求。

2.3.2 天线罩疏水设计

Ka连续波雷达属于毫米波雷达，水对毫米波具有很高的介电常数和损耗正切角[3]，当雨水造成天线罩表面积水时，甚至很薄的水膜都会大大增加信号传输损耗，其增加值与水膜厚度成正比，要减弱这种影响，需提高天线罩表面的疏水性，即水在天线罩表面不易沉积。图5比较了普通天线罩和疏水天线罩表面在不同雨量、频率下与传输损耗间的关系，随着雨量的增加，雨水影响变大，雨量越大疏水表面对传输损耗的改善愈显著。

图5 信号传输损失与降雨速率及信号频率的关系

表面疏水性的含义为水在物体表面是呈珠状的，而不是铺展开的，具体的参照标准为水珠表面接触角θ，如图6所示，θ>90°，表明疏水；θ<90°，表明不疏水。

图6 水珠表面接触角

影响固体表面疏水性的主要因素是材料的表面自由能，水珠接触角随着表面自由能的降低而增大[2]。聚四氟乙烯板表面的自由能非常低，水对其接触角为114°[3]，即为疏水表面。雨水在聚四氟乙烯板表面凝结成水珠后，当表面倾斜一定角度，水珠更易流动，不易沉积，从而保证了Ka连续波雷达在雨天可以正常工作，图7为天线罩结构示意图。

图7 天线罩结构示意图

2.4 雷达环控设计

雷达工作环境温度为：-40℃～+50℃，电子设备在高温下性能降低，为了避免雷达性能的下降，合理的环控设计非常重要。Ka连续波雷达中的电子设备包括发射机、接收机、信号处理、监控组件、电源，工作时发射天线罩的热量为115W，接收天线罩的热量为85W。电子设备中发射机热耗最高，其表面热流密度最大约为0.1W/cm2，可以采用强迫风冷的散热方式[4]，经计算，EBM的AC-4400-FNN型号轴流风扇可以满足使用要求，于是在发射天线和接收天线的天线罩内各安装一部该型号的风扇已达到散热要求。