薄壁鈦合金Reggia-Spencer移相器的結構實現

陶巍巍，樓中南，陳 榮

(1.南京電子技術研究所， 南京210039;2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院， 合肥230009)

0 引言

Reggia-Spencer移相器屬于矩形波導互易移相器，它是一種模擬連續式移相器，也是最早用于相控陣雷達的鐵氧體移相器。但由于該移相器結構笨重，研究人員將它發展成鎖式工作形式，即在波導兩側分別加上一個磁軛，磁軛兩端伸入波導和鐵氧體方形棒組成一對并聯閉合磁路，激勵線圈加在磁軛上以實現鎖式控制。同時，這種移相器還把各種陶瓷片貼在鐵氧體棒和波導寬邊上，調節陶瓷片的厚度，以便把高次模移出工作頻率之外［1］。這種移相器要想在機載相控陣天線上得到大量應用，必須要做到小型輕巧［2-3］，這就要求移相器在材料選擇和結構形式方面有所創新。本文針對此設計要求，介紹了一種嶄新的移相器結構設計思路與方法。

1 材料選擇

美國在1948年就開始規模化生產金屬鈦作為工業用金屬材料。如表1所示［4］，在密度方面，純鈦比鋁合金稍大，大約是鋼的60%，銅的一半;在線［膨］脹系數方面，純鈦約為不銹鋼的一半，是鋁合金的1/3，溫度變化對其尺寸及形狀的影響較小;在電導率方面，純鈦的電阻率比銅高出近30倍，與其他金屬相比，它和不銹鋼同列，導電不利;在縱彈性模量方面，純鈦為鋼鐵材料的一半，易于撓曲。純鈦除了這些代表性的物理特性之外，還具有非磁性等特征［4］，這些特征對鐵氧體磁性器件而言，都是較為有利的。

在工程應用中，純鈦為改善強度及加工性而添加合金元素生成鈦合金，這些合金根據其結晶組織分為:(1)α合金;(2)α-β合金;(3)β合金。以Al作為合金元素，它具備焊接性、延展性優越的高溫特性，而且在極低的溫度中也能呈現高度的延展性和韌性［4］。Ti-6Al-4V是一種α-β合金，這種合金占有鈦合金需要量的70%，它具備了延展性和韌性及高強度化，其加工性、焊接性都很好，因此在飛行器中廣泛應用，特別在機身部分Ti-6Al-4V使用率最高，占所用鈦合金總量的80%以上，所以我們將此種材料作為實現鈦合金Reggia-Spencer移相器的首選。

2 結構形式

在矩形波導中放置軸向磁化鐵氧體棒，Reggia-Spencer移相器的結構如圖1所示。鐵氧體的軸與波導軸是平行的，鐵氧體棒可以是方形，也可以是圓形，波導外層繞上磁化線圈用以控制相移。

表1 通用金屬的物理特性

圖1 Reggia-Spencer移相器結構

2.1 鈦合金與鋁合金合成式波導結構

鈦合金由于其電導率低，在電性能方面，采用部分外磁化形式的波導移相器，相比鋁合金減小了短匝效應的渦流損耗，使中間的鐵氧體芯得到最大程度的磁化，產生相應的相移［5］。為了減少移相器的損耗，防止微波功率泄露［6］，波導內壁需要有良好的傳輸環境，考慮到結構加工及移相器裝配的可實現性，初期設計將移相器的匹配段與移相段波導寬邊集成整體，采用鋁合金材料與法蘭一起整體加工，激勵線圈對應的波導窄邊采用鈦合金材料，裝配完成的移相器結構如圖2所示。

圖2 鋁合金與鈦合金合成波導式Reggia-Spencer移相器

這種結構形式，便于實現，易于裝配，但器件的強度要求得不到有效的保證，波導寬邊由于沒有窄邊的支撐，極易受力變形，如圖3所示;而且器件工作發熱時，鋁的線［膨］脹系數是鈦的3倍，膠接在波導內壁的陶瓷片容易損壞。另外，受天線陣面的限制，法蘭厚度比較薄，安裝孔尺寸比較小，在環境試驗震動過程中，器件容易被破壞，所以這種結構形式可靠性低，強度不能滿足產品要求，從材料選擇與結構形式上均需要改進。

圖3 鋁合金波導受力波形

2.2 全鈦合金薄壁式波導結構

從材料上，移相器波導寬邊和窄邊均采用質量輕、強度高又耐腐蝕的鈦合金材質。因短匝效應的渦流損耗，移相段波導窄邊使用0.1 mm厚的鈦合金薄片，寬邊出于結構強度考慮，壁厚要有所增加，但增加壁厚的同時，渦流損耗和重量也相應的增加，因此采用0.3 mm～0.4mm厚的鈦合金薄板，法蘭、匹配段、移相段一次性折彎成形，再通過拼焊的方式，形成一個整的器件結構。從結合強度、耐熱性、持久性(耐用性)、氣密性(密封性)及設備的廣泛性來看，以熔融焊接的可靠性最高，其次為釬焊。電阻焊是熔融焊的一種，在薄板焊接中廣泛應用，它是將兩張薄板重疊起來，從上下兩個方面使其緊貼，在重疊部分形成焊點，發生熔融而結合。

這種薄壁鈦合金結構形式，首先，需要高精度多工位步進模來保證折彎件的尺寸精度;其次，需要合適的焊接工裝來保證拼焊而成的波導尺寸。匹配段、移相段與法蘭寬邊形成骨架，一體成型，寬邊翻邊與貫穿三段波導的窄邊鈦合金薄板焊接成型。另外，在波導兩端薄壁法蘭翻邊處各焊接了4塊厚1 mm的鈦合金板形成法蘭盤，同時，對整個波導結構也起到了加強筋的作用，波導成型如圖4所示。這種波導結構形式，受力不易發生變形，且不易發生扭轉，法蘭連接強度能夠滿足環境試驗要求。此外，鈦合金材料類似玻璃、混凝土，在移相器工作溫度范圍內，受熱基本不膨脹，膠接在移相段波導寬邊上的陶瓷材料不會受力破裂，產品可靠性大大提高。

圖4 薄壁鈦合金焊接成型波導

薄壁鈦合金波導式移相器，因其波導焊接而成，無法拆卸，組成并聯閉合磁路的鐵氧體無法直接放入波導腔內，就好比家具太大，而房門太小，想把家具搬進去，只能拆開來，等所有部分都搬進去后再組裝，這需要設計專門的工裝在波導腔內完成裝配，如圖5所示。

圖5 “工”字型鐵氧體在波導內裝配

質量上，全鈦合金薄壁式波導結構相比采用鋁合金與鈦合金合成的波導結構，每個移相器可以減輕1 g，而整個陣面由上千個移相器單元組成，對機載雷達天線陣面而言，減輕的重量就很可觀，在實現小型輕巧目標的基礎上進一步優化，所以可以確定此種結構形式達到了目前的優化設計。

3 結束語

針對一種機載移相器的設計，薄壁鈦合金波導式Reggia-Spencer移相器解決其材料選擇、結構形式的問題，實現小型輕巧的要求，且保證了結構強度和產品可靠性，加上配套工裝的設計，可以滿足產品批產需求。其他波導式移相器的結構設計也可考慮采用此種設計思路。

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［3］ 蔣微波，蔣仁培.微波鐵氧體器件在雷達和電子系統中的應用、研究與發展(下)［J］.現代雷達，2009，31(10):1-9.Jiang Weibo，Jiang Renpei.Application，research and development of microwave ferrite device in radar and electronics systems［J］.Modern Radar，2009，31(10):1-9.

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