宋曉斐，陳應(yīng)春

（1. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京210039；2. 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京211100）

引 言

波導(dǎo)裂縫陣列天線結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，加工方便，成本低，增益高，副瓣低，能夠?qū)崿F(xiàn)波束全空域快速掃描，具有多目標(biāo)檢測、跟蹤、自適應(yīng)、天線波束控制靈活等特點(diǎn)，在雷達(dá)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，在國內(nèi)外關(guān)于波導(dǎo)裂縫天線的眾多研究中，大部分是關(guān)于電性能方面的，也有一部分是關(guān)于陣列天線（單元組陣）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，但關(guān)于波導(dǎo)裂縫天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非常少，且更傾向于單元的加工制造工藝和安裝工藝的研究，而對單元的結(jié)構(gòu)形式和工程實(shí)現(xiàn)方式研究得不多。因此非常有必要對波導(dǎo)裂縫天線單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

1 常規(guī)波導(dǎo)裂縫天線單元結(jié)構(gòu)形式及固定方式

波導(dǎo)裂縫天線單元由開縫波導(dǎo)管、負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器組成。目前工程上主要使用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)管進(jìn)行開縫加工設(shè)計(jì)，負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器作為獨(dú)立的器件，分別采用法蘭盤固定在開縫波導(dǎo)管的兩端，如圖1 所示。波導(dǎo)裂縫天線單元的常規(guī)固定方式可歸納為膠粘托架固定法和卡槽壓板固定法，如圖2 所示。

圖1 常規(guī)波導(dǎo)裂縫天線單元結(jié)構(gòu)形式

圖2 波導(dǎo)裂縫天線單元常規(guī)固定方式

常規(guī)的工程實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，成本也較低，適用于大部分波導(dǎo)裂縫天線單元。但常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式也存在一些弊端，如天線單元的安裝位置精度不是很高，天線單元之間的間距較大，天線單元自身的剛強(qiáng)度差等。隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，波導(dǎo)裂縫天線單元的安裝位置精度越來越高，天線單元之間的間距越來越小，尤其是對于高頻雷達(dá)，這方面的需求特別強(qiáng)烈。常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已不能滿足這些要求，因此迫切需要一種新的結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)這些需求。本文根據(jù)波導(dǎo)裂縫天線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新需求，結(jié)合生產(chǎn)工藝、安裝方式和制造成本等方面的要求，提出了一種新的波導(dǎo)裂縫天線單元結(jié)構(gòu)形式，并對波導(dǎo)管、負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，同時(shí)對波導(dǎo)裂縫天線單元的安裝方式、安裝位置精度和內(nèi)腔防護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

2 波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新需求

現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展對波導(dǎo)裂縫陣列天線的要求越來越高。在相同的陣面口徑尺寸下，為了提高波導(dǎo)裂縫陣列天線整體的電性能，往往會(huì)縮小波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距，增加天線單元的總數(shù)量，甚至為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)裂縫陣列天線的雙極化，有時(shí)會(huì)塞入2 倍數(shù)量的波導(dǎo)裂縫天線。這就導(dǎo)致整個(gè)陣面極其擁擠，天線單元之間沒有間隙或者間隙極小。因此如何解決天線單元的安裝問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法逃避的難題。

對于一些頻率較高的雷達(dá)，除波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距變小以外，對天線單元安裝位置精度的要求也變得很高，常規(guī)的安裝定位方式很難保證其定位精度。因此，如何提高天線單元的位置精度也是不能忽視的問題。

此外，為了增強(qiáng)單根波導(dǎo)裂縫天線的電性能，往往會(huì)將其加長，增加開縫數(shù)量，但隨之而來的是其剛度的下降。因此，如何提高天線單元的剛度也是需要考慮的問題。

3 波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距變小使得常規(guī)的正面固定方式（膠粘托架固定法和卡槽壓板固定法）不再適用，因此只能從背面固定波導(dǎo)裂縫天線單元。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)天線單元的高定位精度，最好直接在天線單元上加工定位接口，以減少轉(zhuǎn)接帶來的誤差。波導(dǎo)裂縫天線的設(shè)計(jì)主要包括波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)管為空心、薄壁、細(xì)長結(jié)構(gòu)，采用熱擠壓成型工藝制作而成。其設(shè)計(jì)主要包括波導(dǎo)管截面設(shè)計(jì)和波導(dǎo)管的材料選擇。

3.1.1 波導(dǎo)管截面設(shè)計(jì)

根據(jù)電性能要求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)型號，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。截面設(shè)計(jì)主要分為常規(guī)設(shè)計(jì)、多功能加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)、固定接口設(shè)計(jì)以及綜合形狀設(shè)計(jì)。

（1）常規(guī)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)管采用熱擠壓成型工藝制作，其常規(guī)設(shè)計(jì)包括壁厚設(shè)計(jì)和圓角設(shè)計(jì)。熱擠壓成型工藝對波導(dǎo)管的壁厚起重要的限制作用。若波導(dǎo)管壁過厚，不僅會(huì)因用料過多而增加成本，而且也會(huì)增大壓機(jī)的噸位；若波導(dǎo)管壁過薄，則金屬的流動(dòng)阻力就大，成型困難，波導(dǎo)管的剛強(qiáng)度也會(huì)變差。在保證波導(dǎo)管壁厚度合適的情況下，還需要盡量保證壁厚均勻，消除內(nèi)部存在的應(yīng)力，減少熱擠壓過程中的翹曲變形現(xiàn)象。

圓角設(shè)計(jì)對波導(dǎo)管截面設(shè)計(jì)非常重要。采用圓角結(jié)構(gòu)可以獲得良好的工藝效果，也可以避免拐角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。波導(dǎo)管內(nèi)腔尺寸在理論上是清角，但實(shí)際上不能這么做。圓角半徑的大小不僅影響波導(dǎo)管的工藝成型質(zhì)量，還會(huì)影響熱擠壓模具的壽命。在目前的工藝水平下，波導(dǎo)管內(nèi)腔的圓角半徑最好不要小于0.4 mm，對于流動(dòng)性好的熱擠壓材料（6063 鋁合金），可以適當(dāng)減小圓角半徑[4]。

（2）多功能加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

為了提高波導(dǎo)裂縫天線的電性能，將波導(dǎo)管加長，增加開縫數(shù)量，但這會(huì)使波導(dǎo)管的剛度下降。由于剛度與壁厚的立方成正比，因此提高剛度最直接的方法是增加壁厚，但這樣會(huì)顯著增加波導(dǎo)管的重量。在不增加壁厚的情況下，提高波導(dǎo)管剛度最經(jīng)濟(jì)可行的方法是設(shè)置加強(qiáng)筋。適當(dāng)使用加強(qiáng)筋能有效克服零件扭曲、變形等，而且在某些情況下，加強(qiáng)筋還能起到輔助作用，如可以作為波導(dǎo)裂縫天線防護(hù)罩的安裝限位面和天線的安裝面，如圖3 所示。

圖3 多功能加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)實(shí)例

（3）固定接口設(shè)計(jì)

隨著波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距越來越小，2個(gè)單元之間的安裝空間沒有了，無法從正面進(jìn)行安裝固定。因此如何將波導(dǎo)裂縫天線單元可靠地安裝在陣面骨架上成為一個(gè)急需解決的問題。

該問題可以通過波導(dǎo)管截面設(shè)計(jì)來解決，即將固定接口集成設(shè)計(jì)在波導(dǎo)管的底部，從波導(dǎo)管底部固定波導(dǎo)裂縫天線單元，如圖4 所示。將波導(dǎo)管底部加厚，并且打孔攻絲，然后旋入螺釘即可，或在波導(dǎo)管底部一側(cè)設(shè)置“T”型卡槽，插入螺栓將其固定。

圖4 固定接口設(shè)計(jì)實(shí)例

（4）綜合形狀設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要對壁厚、圓角、加強(qiáng)筋和固定接口等多個(gè)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，并要兼顧重量、成本、模具設(shè)計(jì)等影響因素，以在保證波導(dǎo)管電性能和結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的同時(shí)，優(yōu)化波導(dǎo)的截面形狀，提高波導(dǎo)管的熱擠壓成品率，減小模具的磨損，延長模具的使用壽命，提高波導(dǎo)管的質(zhì)量。以某雙極化有源相控陣?yán)走_(dá)的波導(dǎo)裂縫天線單元為例，原波導(dǎo)截面形狀復(fù)雜，截面面積較大，截面厚度變化懸殊且結(jié)構(gòu)尺寸左右不對稱，導(dǎo)致熱擠壓模具成本增加，使用壽命降低，壓機(jī)噸位提高，設(shè)備費(fèi)用增加，波導(dǎo)管成品率變低，產(chǎn)品質(zhì)量下降，特別是對熱擠壓成型后還需熱處理的波導(dǎo)管，形成較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，如圖5(a)所示。第1 次改進(jìn)時(shí)，將大的波導(dǎo)截面分成2 個(gè)部分，每個(gè)部分的截面面積變小且結(jié)構(gòu)尺寸左右對稱，改善了模具的工藝性能，減小了壓機(jī)的噸位，提高了波導(dǎo)管的成品率，消除了因結(jié)構(gòu)不對稱帶來的內(nèi)應(yīng)力，如圖5(b)所示。第2 次改進(jìn)時(shí)，在波導(dǎo)內(nèi)腔下部增加減重保護(hù)腔，使波導(dǎo)管的壁厚變化趨緩，改善了波導(dǎo)管的生產(chǎn)工藝性，同時(shí)消除了因在底面打孔安裝，波導(dǎo)管內(nèi)腔底面被鉆頭頂出鼓包的現(xiàn)象，如圖5(c)所示。

圖5 綜合形狀設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1.2 波導(dǎo)管的材料選擇

波導(dǎo)管采用熱擠壓成型，然后加工出按一定規(guī)律排布的裂縫，再焊接法蘭盤等。在選擇材料時(shí)，應(yīng)該從材料的流動(dòng)性能、切削加工性能、焊接性能、防腐性能、強(qiáng)度、塑性等方面進(jìn)行綜合考慮。目前用于波導(dǎo)裂縫天線的常用鋁合金材料有3A21 鋁合金和6063鋁合金2 種，其性能比較見表1[5-7]。

表1 波導(dǎo)管常用鋁合金材料性能比較

3.2 負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)的波導(dǎo)同軸變換器或負(fù)載都有一個(gè)法蘭盤安裝面，使其整體結(jié)構(gòu)尺寸增大不少，無法滿足結(jié)構(gòu)緊湊性要求。隨著波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距越來越小，負(fù)載或波導(dǎo)同軸變換器的常規(guī)結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能滿足波導(dǎo)裂縫天線單元的設(shè)計(jì)要求。因此需要將波導(dǎo)同軸變換器和負(fù)載集成在波導(dǎo)管上，采用嵌入式安裝方式固定，同時(shí)用堵頭將波導(dǎo)管兩端堵住，見圖6。

圖6 負(fù)載和波導(dǎo)同軸變換器嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)例

4 波導(dǎo)裂縫天線單元安裝固定形式

由于波導(dǎo)裂縫天線單元之間的間距越來越小，兩個(gè)單元之間沒有足夠的安裝空間，無法從正面進(jìn)行安裝固定。因此只能從波導(dǎo)裂縫天線單元的背面采用“T”型螺栓固定法和打孔攻絲固定法進(jìn)行固定，如圖7 所示。

圖7 安裝固定形式設(shè)計(jì)實(shí)例

“T”型螺栓固定法是在波導(dǎo)管上設(shè)計(jì)出“T”型卡槽，然后將螺栓插入卡槽內(nèi)，用于固定波導(dǎo)裂縫天線單元。打孔攻絲固定法是加厚波導(dǎo)管的底部，然后在波導(dǎo)管底部打孔攻絲，用于固定波導(dǎo)裂縫天線單元。

5 波導(dǎo)裂縫天線單元位置精度

對于波導(dǎo)裂縫陣列天線，天線陣面的面精度對電性能影響很大，且直接關(guān)系到天線單元的加工精度及裝配精度。天線單元的加工精度由數(shù)控機(jī)床的自身精度決定，在這里不做討論。本文主要討論天線單元的安裝位置精度。

天線單元的安裝位置精度包括天線單元的X 向（單元長度方向）安裝精度、Y 向（天線單元之間間距）安裝精度和Z 向（天線陣面的平面度）安裝精度。天線單元Z 向的安裝精度由天線骨架上天線單元安裝面的精度保證，而天線骨架的加工由大型數(shù)控中心來實(shí)現(xiàn)，其精度誤差可以由機(jī)床的加工精度得到很好的控制，在這里也不做討論。下面以打孔攻絲固定法為例，討論天線單元的X 向和Y 向安裝位置精度[8]，如圖8 所示。

在波導(dǎo)裂縫天線單元的底部加工定位銷孔和定位腰孔，如圖8(b)所示。安裝時(shí)，將定位銷孔作為X向定位基準(zhǔn)，可以將X 向的安裝位置精度做到很高；將定位腰孔作為Y 向的定位基準(zhǔn)，與陣面骨架上的銷子配合使用，可以將Y 向的安裝位置精度做到很高，同時(shí)可以釋放長度方向上的約束，避免因溫差天線單元長度伸縮而無法裝配。

圖8 位置精度分析實(shí)例

6 波導(dǎo)裂縫天線單元內(nèi)腔防護(hù)

為了防止雨水、灰塵等侵入波導(dǎo)裂縫天線單元的內(nèi)腔，保證其電性能不受影響，需要對波導(dǎo)裂縫天線單元的內(nèi)腔進(jìn)行必要的防護(hù)。目前常用的防護(hù)方式有天線單元單獨(dú)膠接防護(hù)罩和陣列天線整體安裝天線罩2 種，如圖9 所示。

圖9 內(nèi)腔防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)例

采用天線單元單獨(dú)膠接防護(hù)罩的方式，可以保證單元內(nèi)外隔絕，使灰塵、雨水無法進(jìn)入其內(nèi)部，同時(shí)定期充氣趕潮，排出冷凝水。采用陣列天線整體安裝天線罩方式，可以保護(hù)天線單元，防止雨水和灰塵侵入，而且可以抵抗風(fēng)載荷，克服由風(fēng)載荷引起的天線變形，但需要做好天線罩內(nèi)的防護(hù)工作，保證其內(nèi)部干燥、清潔。

7 綜合實(shí)例

某雙極化有源相控陣?yán)走_(dá)用于天氣監(jiān)測，其天線陣面由水平極化天線單元和垂直極化天線單元交錯(cuò)排布組成。水平極化天線單元采用窄邊橫向傾斜縫，垂直極化天線單元采用寬邊縱向偏置縫。該天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)在于天線單元之間的間距非常小，很難通過常規(guī)設(shè)計(jì)達(dá)到使用要求。例如，沒有空間給每個(gè)天線單元單獨(dú)膠接防護(hù)罩，只能采用整體安裝天線罩的防護(hù)方式；沒有空間焊接法蘭盤，波導(dǎo)同軸變換器和負(fù)載只能集成在波導(dǎo)管上；波導(dǎo)同軸變換器連接電纜時(shí)，沒有足夠的操作空間，只能將天線單元上的2 個(gè)連接器錯(cuò)開排布，勉強(qiáng)留出操作空間；沒有天線單元正面安裝空間，只能采用背面打孔攻絲的安裝方式。安裝天線單元時(shí)，將單元底部的定位銷孔作為X 向的定位基準(zhǔn)，將單元底部的定位腰孔作為Y 向的定位基準(zhǔn)，這樣可以釋放長度方向的約束，避免溫差引起單元長度伸縮，導(dǎo)致無法裝配。

天線單元的波導(dǎo)管截面經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終定型，提升了波導(dǎo)管的生產(chǎn)工藝性，大大提高了產(chǎn)品的成品率，保障了產(chǎn)品的質(zhì)量。其背面打孔攻絲的固定方式解決了天線單元難以固定的難題，定位銷孔和定位腰孔的配合使用不僅使天線單元在X 向和Y 向的定位更加精準(zhǔn)，而且克服了因熱脹冷縮長波導(dǎo)無法裝配的問題。

該雷達(dá)波導(dǎo)裂縫天線單元安裝牢固可靠，位置精度較高，已通過質(zhì)量檢驗(yàn)。其成功實(shí)施較好地驗(yàn)證了背面安裝方式的可行性，也使密集型陣面單元布局成為可能。

8 結(jié)束語

波導(dǎo)裂縫天線因其優(yōu)良的電性能和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性被越來越廣泛地運(yùn)用在現(xiàn)代雷達(dá)中。本文通過分析波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新需求，提出了背面固定方式，通過波導(dǎo)管截面設(shè)計(jì)，在理論上驗(yàn)證了其可行性，同時(shí)在某雙極化有源相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品中實(shí)施應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。另外，對波導(dǎo)裂縫天線單元的安裝固定方式、安裝位置精度以及內(nèi)腔防護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)敘述，可為其他波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，密集型陣列天線布局會(huì)提高陣列天線整體的電性能，縮小陣列天線的外形尺寸將成為一種發(fā)展趨勢。因此波導(dǎo)裂縫天線的結(jié)構(gòu)形式和工程實(shí)現(xiàn)方式需要與時(shí)俱進(jìn)，不斷更新，以適應(yīng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。