某相控阵天气雷达结构总体设计*

潘 锴，项大健

（南京恩瑞特实业有限公司，江苏 南京 211106）

引 言

随着航空运输的迅速发展，机场航班起降的频率越来越高，过去几分钟乃至几十分钟一趟航班起降已经演变成为1 min一班甚至多架航班起降，特殊情况下航班起降将更加频繁，这就对机场天气雷达提出了更高的要求。传统多普勒天气雷达的探测数据一般是3 min或6 min更新一次，已经不能满足机场区域天气精细化探测的需求。

为了全面提高机场天气雷达的抗杂波干扰能力和自动化探测能力，更快、更准确地发现雷雨、大风、下击暴流、风切变等航空高危天气，更加精细地捕捉和分析危险天气的内部结构，为精准的航空预报服务提供探测依据，相控阵天气雷达应运而生。2008年，文献[1]对相控阵天气雷达与多普勒雷达的探测精度与探测能力进行了对比研究。2013年4月—6月，中国气象科学研究院联合国内多家单位在广东省江门市对X波段相控阵天气雷达与机械扫描雷达进行了对比观测试验[2]。结果表明相控阵天气雷达的时空分辨率远远高于现有机械扫描雷达的时空分辨率。

机场区域天气环境保障的精准化要求相控阵天气雷达不但扫描速度较常规雷达更快，而且探测精度及可靠性要求更高，探测能力更强，灵敏度高且使用维护方便。常规天气雷达6 min完成一次11层的体积扫描，已经不能满足任务要求。在实际应用场景中要求在1 min乃至更短时间内完成一次11层的体积扫描，整机可靠性也由常规雷达的600 h提升至3 000 h。为了设计一部能够满足上述要求的机场相控阵天气雷达，本文从结构工程的角度去探讨相控阵天气雷达的结构总体设计思路、方法。

1 结构总体设计

1.1 系统组成

相控阵天气雷达包括室外设备、室内设备和附属设备。室外设备包括天线阵面、综合机箱、电源机箱、数字波束形成机箱、天线座、天线罩等。室内设备包括综合机柜、伺服机柜、工作台、显示器等。附属设备包括升降维修台、立柱式悬臂吊机、充气机等。

1.2 总体布局设计

相控阵天气雷达的布局分为室外设备和室内设备两部分。室内设备布置在主机房内，其布局如图1所示。室外设备安装在建筑物顶部，其布局如图2所示。室外设备包含天线阵面、天线座、综合机箱、电源机箱、数字波束形成机箱等。天线罩安装于建筑物顶部混凝土圆环形墙体上，天线阵面、天线座安装在天线罩内的顶层平面上，综合机箱安装在天线背架上，电源机箱、数字波束形成机箱安装在天线座转台上，如图3所示。室内设备与室外设备互联电缆通过垂直向上铺设的电缆桥架来进行走线。

图1 雷达室内设备布局图

图2 雷达室外设备布局图

图3 雷达室外设备组成

1.3 结构设计

1.3.1 天线阵面结构设计

天线阵面包括裂缝波导、天线桁架、天线背架、综合机箱、匿影天线、配重等。它采用阵列形式，由多条裂缝波导组成。天线阵面通过背架底部的支耳安装在天线转台上，并通过支撑杆连接背架中部形成天线阵面与水平面的60°夹角。在设计、安装时通过工装来保证精度要求，从而保证天线的电讯性能指标，并满足环境条件、可靠性、维修性等设计要求。

天线阵面的布局侧重考虑阵面各设备的安装及维修，阵面热设计，走线和阵面的加工、装配、测试工艺性等因素。天线阵面结构如图4所示。

图4 天线阵面结构图

裂缝波导的左右两端安装负载和波导同轴变换，如图5所示。波导经波导同轴变换以及馈线转接后连接到组件的输出端口。天线防护罩采用复合材料制作，安装在波导行馈的前方，它为天线收发电磁波束提供发射和接收的电磁窗口，同时保护雷达天线免受环境暴露之害。

图5 裂缝波导

天线桁架和背架由铝型材拼焊而成，行馈通过支架安装在桁架上，桁架后面靠近波导同轴变换的一侧自上而下分布有4个综合机箱，以保证转接馈线电缆长度最短、损耗最小。桁架的另一侧安装配重块，以确保天线的精度要求和工作稳定性。天线桁架和背架是天线阵面的主要承力结构件，其尺寸较大，行馈和综合机箱均安装在桁架上，支耳单独加工后与天线背架的后端进行连接固定。

天线桁架焊接后采用数控加工而成，以确保安装尺寸的精度要求。桁架的拼装精度由装配工装保证，桁架之间采用定位结构保证重复安装精度，裂缝波导和桁架之间采用定位销来保证间距尺寸的要求。

1.3.2 天线阵面平面精度控制

天线阵面平面精度直接影响到相控阵天气雷达波束的探测指向精度。天线指向精度出现偏差将直接导致雷达探测到的云、雨等目标区域定位不准确[3]，从而在给飞行器发出绕飞避让指令时会出现偏离要求航线的情况发生。因此控制天线阵面平面精度对相控阵天气雷达而言尤为重要。

根据指标要求，相控阵天气雷达天线背架的装配平面度不超过1 mm，天线阵面平面度不超过2.5 mm。天线阵面平面精度的主要影响因素有阵面载荷变形误差、加工制造误差、阵面装配误差、测量误差等[4]，必须对这些影响因素加以有效控制。文中主要采取以下3项措施来控制影响阵面精度的各类因素：1）优化阵面结构设计，通过力学仿真控制载荷变形。天线阵面俯仰支撑跨距大，载荷重。为提高阵面刚度，减小阵面变形，对阵面支撑结构进行优化，通过分析计算优化结构尺寸和材料截面尺寸，对关键部位的受力及其设计参数进行校核。2）精密制造。通过精密制造控制技术，提高天线阵面的制造装配精度。影响天线阵面装配精度的结构件主要是天线桁架的框架，对框架的安装平面采用精密加工工艺，以获得较高的加工精度。3）高精度装配。通过高精度定位面和定位销技术，提高多功能面板的安装精度。将由天线背架装配造成的平面度误差控制在1 mm以内。

综合考虑各种因素对天线阵面平面度的影响程度和实现的难易程度，对各环节精度进行分配，见表1。

表1 天线阵面平面精度控制

1.3.3 天线座结构设计

天线座采用转台式，其主要组成部分为转台、底座、回转支承、方位传动装置、数据传动装置、安全保护装置和润滑系统。为了提高可靠性，天线座采用双驱动电机。单电机工作就能驱动天线正常转动，因此可在设备正常运行状态下，对发生故障的减速机和电机进行维修或更换。

转台式天线座的特点是用能够承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩的大型回转支承来支承天线和方位转动的部分。这种类型的天线座承载能力大，刚度好，精度高，可以省掉粗大的中心转轴，可以在轴承中间让出较大的空间安装高频铰链和数据传动装置，使结构布置紧凑、合理。这种类型的天线座轴向尺寸小，降低了天馈线系统的转动重心，增强了天线座的稳定性。

将方位大齿轮和轴承的外圈做成一体，两套传动装置和数据传动装置布置于方位底座下部，既能比较方便地观察到传动装置的工作情况，又便于维护保养、拆卸维修。天线座结构模型如图6所示。

图6 天线座结构模型

底座为直径1 800 mm、高250 mm的圆环形结构，它是整个天线座的基础，固定在塔基上。底座上表面安装方位大轴承，与轴承（不动）的内圈连接，下底面与两套传动装置连接，承受较大载荷，要求具有较高的刚度和足够的尺寸稳定性。同时，底座又兼做方位大轴承和方位末级齿轮传动的润滑油池。为了保证存储在底座腔体内的润滑油不泄漏，底座采用强度高、吸振性能好、尺寸稳定性好的球墨铸铁QT600–3铸造而成。

转台采用钢板焊接成型，上表面两个支耳与天线连接，后方两个支座与天线支撑杆连接，下表面与方位大轴承的外圈连接，转台下方加工有两圈迷宫槽，分别与底座内外圈形成动密封，保证底座内润滑油不外漏。

方位驱动系统采用并联冗余设计，两个独立的传动装置同时运转共同承担负载，当其中一路传动装置发生故障、电机停止转动时，通过电磁离合器使电机和小齿轮输入轴脱离，保证另一路传动装置正常工作，天线的运转不会因此而中断。同时，在天线正常运转的情况下，对离合器加以固定，可以对发生故障的电机、减速机进行维修、更换。

每一套传动装置均由电机、齿轮减速机、电磁离合器和末级小齿轮组合组成。两套传动装置完全相同，对称布置于底座的下方，在底座上的安装位置可互换，即可共同分担负载，又可相互备份。天线座的数据传动系统采用两套旋转变压器并联安装在高频铰链两端，实现1:1数据传动。这种结构安装方式不仅提高了传动精度，而且维护、更换方便快捷。

2 天线结构刚强度计算

根据阵面实际结构形式建立天线阵面有限元模型，分析时对支耳孔进行固定约束，材料为铝材，其力学性能参数见表2。

表2 天线阵面材料力学性能参数

天线阵面按照在天线罩内工作进行计算，分别计算了天线阵面仰角在60°工况下天线的变形和应力分布云图，详细结果如图7所示。由计算结果可知，最大应变为7.8 mm，最大应力为15.99 MPa，小于屈服强度145 MPa，故天线的刚度和强度均满足使用要求。

图7 天线仰角60°时天线的变形分布云图和应力分布云图

3 天线座结构刚强度计算

由于天线座结构采用轻量化设计，因此对主要承载结构件天线底座进行受力分析是十分必要的。天线底座材料采用球墨铸铁（QT600–3），其力学性能参数见表3。

表3 天线底座材料力学性能参数

用ANSYS分析软件进行计算。模型有限元网格划分采用实体单元，边界条件是天线底座法兰固定不动，施加给转台的外部载荷中包含天线的质量和风力。按照有罩工作计算，底座以上的质量为10 000 kg，其变形分布云图和应力分布云图如图8所示。

图8 底座的变形分布云图和应力分布云图

由计算结果可知，最大应变为0.025 mm，最大应力为7 MPa，小于屈服强度370 MPa，故天线座的刚度和强度均满足使用要求。

4 组件热设计计算

组件上侧为射频前端壳体，下侧壳体内布置数字板，壳体中间布置散热翅片。组件外形及内部结构如图9所示。按相控阵雷达晶体管降额要求，组件功放芯片的最高结温为225°C，降额使用后结温小于等于170°C。功率管的输出功率为150 W，效率为31%，最大工作占空比为12%，结壳热阻为0.25°C/W，峰值热耗达到200 W，则壳温不能超过120°C（170−200×0.25 = 120°C）。经计算，功放模块壳体温度分布如图10所示。功率管表面最高温度为95.5°C，小于120°C，满足器件的最高工作温度要求。

图9 组件外形及内部结构

图10 功放模块壳体温度分布云图

5 结束语

相控阵天气雷达是一个较复杂的系统，其天线阵面平面精度要求高，组件功耗大，对结构设计工作的要求比其他天气雷达高。本文通过优化阵面结构设计、天线与天线座结构刚强度设计和组件的热设计校核，较好地解决了由相控阵天气雷达重量、体积规模庞大和组件内部温度过高带来的可靠性降低的问题。目前，该相控阵天气雷达实物已通过试运行。文中的设计方法、思路可供其他相控阵雷达设计参考。