某液冷有源相控阵天线结构设计

2022-05-14韩博王伊刘鹏高扬

机械工程师 2022年5期

韩博，王伊，刘鹏，高扬

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710071）

0 引言

相控阵天线具有功率大、易于形成并控制波束进行快速扫描、跟踪多目标等优点，因此在现代电子战中得到了广泛的重视[1]。相比于单口径反射面天线，有源相控阵列天线可以实现线阵、平面阵、共形阵等多种型式，能更好地满足高增益、窄波瓣、空间扫描、空间多目标跟踪、空分多址和自主控制等功能[2]。有源相控阵雷达天线可分为模拟有源相控阵天线和数字有源相控阵天线，其中，模拟相控阵天线经过多年发展，凭借成本低、技术成熟、可靠性高的优势仍是军用雷达发展和应用的主要方向[3]。通常来讲，有源相控阵天线结构复杂、集成度高，其电性能往往受天线阵面设计如阵列单元的排列方式、天线阵面的倾角、阵列单元间距、阵面大小排布等因素的影响，因此天线结构设计时在满足电性能指标要求前提下，还要考虑结构指标（体积、质量）、环境要求（风、雨、盐雾、振动等），以及安装、运输、维修等各方面的要求[4]。本文根据某岸基雷达的任务需求，综合考虑质量、结构指标等因素设计了一种液冷散热有源相控阵天线，利用ANSYS有限元软件对其进行了结构抗力学仿真，并通过环境试验对天线设计合理性进行了试验验证。

1 天线结构设计

1.1 天线结构设计要求

某液冷散热有源相控阵天线为岸基有源相控阵天线，该天线要求为天线内部组件、散热冷板及前端天线纵单元提供具有合理性、可靠性、维修性的安装、保护和支撑空间，同时为阵面发热模块（TR组件、电源模块等）提供额定温度、流量、压力的液冷循环，将发热器件的热量带走，随后通过外部冷源将热量耗散到大气中，形成冷却循环周而复始，维持各发热器件工作在要求的温度范围内。该天线主要结构技术指标如下：1）外形尺寸限定在3600 mm×900 mm×900 mm 内（不含前端天线阵列及天线罩）；2）最大可拆卸质量小于500 kg；3）阵面平面度为2 mm。

1.2 天线结构组成

某液冷散热有源相控阵天线为框架式结构如图1所示，天线阵面呈对称性设计，外形尺寸为3500 mm×770 mm×780 mm（含底座高度）。

图1 天线结构组成示意图

1.3 天线单元

该天线阵面共由195 个天线单元组成，每个单元通过螺装固定于天线框架最前端。如图2 所示，天线单元采用印刷振子的辐射单元，使用聚酰亚胺柔性材料，功分器采用带线形式，纵列采用功分网络和辐射振子一体化设计，质量轻、加工方便、成本低。

图2 天线纵列结构示意图

1.4 天线主框架

天线框架的主要作用是支撑和安装天线单机设备，为单机提供安装接口并对单机设备连接面板起到加强刚度的作用。因此，支撑刚度、接口强度、安装面平面度是框架结构最重要的考核指标[5]。图3为天线主框架结构示意图。后侧预留3个维修通道门，维修方便快捷。框架采用拼焊成形，经过热处理以提高其结构强度，最后用龙门铣床加工平天线安装面及安装孔位，整体一次加工成形，可保证安装孔的位置精度，最终加工的天线安装面平面度可控制在2 mm内，既保证了结构强度，又在设备总质量上体现了极大的优势。

图3 主框架结构示意图

1.5 天线液冷散热系统

图4～图6分别为天线液冷散热系统组成示意图和TR组件冷板及电源冷板结构示意图，由图可知，天线液冷散热系统主要由TR组件液冷板、液冷系统管路、电源冷板水路分配器组成，冷却液从分配器进液口进入后分4路，其中1路供给电源冷板，另3路分别供给前端3块TR组件液冷板。

图4 天线散热系统组成示意图

单块TR组件液冷板预留进出液接口各一个，单块TR组件液冷板贴装16件TR组件，通过6个M8的螺钉锁紧固定在主体框架内部，TR 组件可先行与冷板安装到位，也可先将冷板安装在框架上后，再依次安装TR组件液冷板。

图5 TR 组件液冷板结构安装示意图

单块电源冷板主要由冷板、定位销、松不脱螺钉、盲插接头等组成。冷板一体加工插拔拉手槽，方便冷板的拆装，冷板正反两面各贴装一个电源模块，如图6所示。

图6 电源液冷板结构示意图

1.6 天线电源机箱

电源冷板机箱采用模块化设计，作为一个独立的单元与框架进行安装。如图7所示，电源机箱采用抽拉结构，方便电源后端各模块的维护及维修。电源机箱推入到位后后端由定位销对准定位，前面通过松不脱螺钉与框架进行锁紧固定。电源冷板箱体安装到位后，将电源冷板顺着箱体内侧导向槽缓慢插入箱体内部，通过冷板定位销保证盲插水接头的盲插精确定位；插入到位后再将冷板后端松不脱螺钉与箱体进行锁紧固定，从而保证水路的密封可靠连接。

图7 电源机箱结构示意图

1.7 天线底座

图8为天线底座结构示意图，底座材质先用优质铝合金拼焊而成，托板与圆形连接底座间用型材焊接加强结构，保证结构强度。圆形连接底座上预留与转台连接安装的孔，同时预留4个吊装圆环，方便设备的起吊安装；托板上预留与主体框架连接安装的M16螺纹通孔，预留设计导流槽，设备内部流冷系统若发生渗漏现象，可以通过此导流槽排出外部。

图8 天线底座结构示意图

2 天线抗力学环境仿真

2.1 有限元模型及边界条件

如图9所示，本文基于ANSYS Workbench16.1建立了天线的有限元模型。建立该有限元模型时，对模型的倒角、圆角、凸台及螺纹孔等细小特征简化去除；其次，该天线框架主要为6061铝合金型材，内部模块均设为5A06铝合金材料，给模型中各零件赋予相应的材料属性，包括密度、弹性模量及泊松比等；再次，根据各零件之间的接触、连接关系，设置好零件间相应的接触类型，约束条件为对天线底座安装孔进行固定约束；最后，在ANSYS Workbench中利用Meshing网络剖分平台对模型进行网格划分，得到一个单元数量约为280万的有限元模型。

图9 天线有限元模型

如图10所示，天线坐标系对应关系为：X轴为垂向，Y轴为横向，Z轴为纵向。

图10 坐标轴示意图

2.2 天线力学环境工况

按照GJB 150.16A振动试验中高速公路车载运输条件进行结构强度的验算，表1 为该天线的随机振动条件。

表1 天线随机振动试验条件

3 结果与分析

天线抗力学环境设计是为了保证天线满足电尺寸的前提下，通过材料的选择、调整结构安装连接方式等一系列措施，以达到满足设备的强度、刚度的要求，保证天线在工作期间满足指标要求。经仿真计算，该天线的前3阶基频分别为29.336、29.416、43.566 Hz。

天线随机振动条件下的应力及位移结果如图11～图16所示。表3为天线随机振动仿真结果，由结果可知，天线在Y向（即天线横向）的结构应力响应最小，这是由于天线为一维线阵，天线底座桁架作为天线主承力结构，在Y向结构刚性最好而在Z向和X向较为薄弱，最大响应发生在天线底座与天线框架连接桁架处，此时最大应力产生在X向（垂直于底座），其值为131.72 MPa的最大位移则发生在天线框架顶部加强筋区域，为0.879 mm。

图11 X向随机振动应力

图12 X向随机振动位移

图13 Y向随机振动应力

图14 Y向随机振动位移

图15 Z向随机振动应力

图16 Z向随机振动位移

作为岸基雷达天线，对底座的支撑刚度和强度要求较高，在设计极限载荷下的前提下，结构部件需具有一定的安全裕度，避免发生结构强度破坏，且要求设计极限载荷为鉴定载荷与安全系数( 取K=1.5) 的乘积，金属的强度安全裕度MS≥0[6]。安全裕度定义为

式中：MS为安全裕度；Sa材料极限强度；Se为最大应力响应。

由仿真结果可知，天线最大应力Se=131.72 MPa，可以根据公式计算结构的强度裕度：其中Sa=220 MPa；得到安全裕度为MS=0.11＞0，表明该天线结构满足设计要求。

4 试验验证

目前，该天线初样件框架已完成结构加工，天线初样件实物图如图17所示。液冷散热装置已完成装配，并相继开展了天线常温检测、环境试验及液冷散热装置高低温工作和贮存试验。经测量，天线框架及底座总质量约为400 kg，液冷散热装置总质量约为90 kg，最大可拆卸质量满足技术指标要求。利用三坐标对天线阵面进行测量，得到平面度为1.5 mm，满足要求。天线经模块配重装配后进行了力学环境试验，试验后天线初样件框架无物理损伤，天线框架自身强度满足安全裕度要求，天线基频与支撑结构的频率无频率耦合现象，力学环境试验结果进一步表明该天线结构设计具有一定的合理性。