某新型車載相控陣天線結構設計

施吉剛

(中國電子科技集團第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

某新型車載相控陣天線是采用兩面背置的相控陣天線陣面來實現。其主要是由眾多排列有序的輻射元及其復雜的饋電系統和支持結構緊密的融為一體的，該相控陣天線裝載于汽車方艙頂部，兼顧裝機尺寸、空間的限制，除滿足車載運輸基本條件外，還應能滿足經受32 m/s的風速不破壞。

該相控陣天線結構設計具有以下特點:

1)根據其工作環境要求，考慮相控陣天線結構與配裝平臺的適應性和可維修性問題，科學合理地進行單元劃分，總體布局和接口設置。

2)設備自重大，為保證可靠性，天線承載的主框架要有較大的承載能力和良好的力學性能。

3)發射組件及電源模塊功率高，發熱量大，為保證天線正常工作，整機必須有合理的結構設計且有良好地通風散熱措施。

下面著重介紹對某新型車載相控陣天線總體結構設計、主要部件設計。

1 結構總體設計

1.1 系統組成與設備布局

車載相控陣天線主要是由天線陣面、發射組件、供電模塊、饋電網絡等分系統以及主框架等組成，分系統之間通過電纜相互連接而成的。在兩面天線陣面之間將留有一定間距，從而形成部件倉和強制風冷風道的空間。部件倉中將固定發射機、饋電網絡、電源等［1］。各組件結構布局如圖1所示。

圖1 結構布局Fig.1 Structural layout

1.2 外形尺寸

車載相控陣天線的結構形式和尺寸受到輻射元排布方式和間距、內部電子設備安裝、大量電纜走線及裝運界限等因素的制約。天線外形尺寸如圖2所示。

圖2 外形尺寸Fig.2 Physical dimension

1.3 操作與維修

相控陣天線內設備密集，接口復雜，厚度空間狹小，為便于操作和維修，根據功能、性能指標，合理劃分五大塊獨立的單元模塊，各個獨立模塊可以單獨取出操作維修。天線陣面提供單獨的旋轉鉸鏈，加大操作空間和維修通道，便于維護。為方便發射組件和饋電網絡的維修，發射組件架和饋電網絡安裝架可以方便的拆卸維修。

2 主框架的結構設計

相控陣天線基本結構由陣面骨架和中央主框架兩部分結合組成，前者為平面桁架結構，后者為封閉結構，內部安裝饋電系統等，外部作為陣面的支撐體、保證陣面平面度。主框架是一個具有承上啟下作用的系統，它安裝在和固定天線陣面的同時又能將陣面負載傳遞至裝載平臺。圖3是中央主框架的外形圖，框架中部放置發射機、饋電網絡等，兩側承載天線陣面。

圖3 主框架Fig.3 Main frame

2.1 結構形式選擇

從受力合理性考慮和受高度尺寸的制約，主框架采用桁架結構形式。采用主框架采用角鋁焊接結構，設計計算簡單，加工裝配方便。中央主框架是由2個基本一致的框架單元拼裝而成。每個框架單元主要是由40×40×4的角鋁焊接而成。2組上下內橫梁組成的內框架用以承載發射機、饋電網絡單元等，2組上下外橫梁組成的框架用以承載天線陣面，如圖6所示。為保證天線陣面安裝后具有一定角度，上下外橫梁是用3 mm厚的鋁板分別折彎成95°和85°的2組結構件。

圖4 框架組成Fig.4 Components

2.2 焊接設計

選擇焊接作為連接手段，與其他連接方法相比，具有能夠很好地承受各向載荷，能夠適應不同形狀、不同材料結構的要求，材料的利用率高，接頭所占空間小等優點，但焊接接頭存在力學性能不均勻，應力分布不均勻和焊接接頭存在變形等缺點。選擇合理的焊接接頭形式和焊接順序，對控制焊接變形，消除應力和保證尺寸精度至關重要。

為保證剛強度，主框架的構件主要依靠焊接連接成整體，先焊成片桁架，再裝配焊接成空間桁架。采用空間定位的裝配焊接夾具，選擇合理的焊接規范和焊接順序，采取反變形法等工藝措施，達到控制焊接變形，消除應力和保證尺寸精度。

外框架各焊接接頭為工作接頭，焊縫一旦斷裂，結構就會失效，因而此接頭設計為受力好、強度大、應力集中最小的對接接頭，對接接頭還易于降低和去除應力集中和應力變形［2］。

對于立柱、支撐件等結構件的焊接接頭，基本為聯系焊縫，焊縫傳遞較小的部分載荷，設計采用了聯合角焊焊縫接頭，即既有側面角角焊縫又有正面角焊縫的搭接接頭，與僅有側面角焊縫的搭接接頭相比，增添正面角焊縫可以改善應力分布，同時可以縮短搭接長度。

為了減輕天線系統的重量，主要選用了雷達天線常用的工程材料——鋁合金，這樣既能滿足足夠的剛、強度，也有好的結構工藝性。主框架材料的選擇牌號為6063T6(密度小、強度高、焊接性能好)的40×40×4角鋁，天線反射面等其他結構件采用牌號為2A12的鋁板。圖5是焊接設計示意圖。

圖5 焊接示意圖Fig.5Welding schematic diagram

2.3 負載與剛強度設計分析

主框架除承受環境負載之外還承受著大量相關電子設備附著質量的作用，剛強度設計面臨巨大壓力。正常工作時整個天線在裝載平臺頂部，處于抗風狀態，考慮安全性，以12級抗風狀態進行安全設計分析。主框架的載荷主要風載荷和自重載荷。在實際情況下，風載荷是動載荷，為計算方便，取其最大值，按靜載荷處理。作用于天線上的風載荷，可以用以下公式表示:風力:F=CFqA［3］。

上式中，CF——風力系數;q——動壓頭(N/m2)，q=0.613v2;A——天線的特征面積;風力系數查表取1.6，風速取32 m/s。天線上的迎風面積按最不利迎風方位計算并垂直于風向平面上的投影面積。迎風面積為:A=ψA1。式中，天線的外輪廓面積 m2，如圖 2 所示，則 A1=0.74×2.25=1.67 m2。

根據對天線的力學分析，風作用于天線時，僅風阻力和傾覆力矩起作用。根據計算結果，校核12級風時的主框架及安裝在裝載平臺上的螺栓。框架受力仿真分析使用有限元分析軟件ANSY做出。圖6是天線加載自重載荷和風載荷的預估受力分析圖。

圖6 框架單元加載受力Fig.6 Frame element stress loading

圖7是加載自重載荷和風載荷的框架剛度有限元分析預估圖，最大變形量為0.57mm，滿足使用要求。

圖7 框架剛度分析Fig.7 Stiffness analysis of framework

圖8分別是一階至四階模態框架振型和固有頻率預估圖。

一階固有頻率為4.48 Hz，二階固有頻率為 4.75 Hz，三階固有頻率為 6.46 Hz。

圖8 框架一至四階振型與固有頻率Fig.8 Vibrationmode and natural frequency of frame from 1－4 order

3 天線陣面設計

天線陣面屬于平面桁架結構，長度及寬度遠大于厚度，方案中采取措施最大限度增強平面剛度，滿足陣面精度要求。單面天線陣面是由若干個天線單元排成陣列而組成，其結構形式上分成兩面對稱的子陣面，圖9是子陣面的外形圖。

圖9 子陣面的外形Fig.9 Shape of sub－array surface

天線反射面板是相控陣天線安裝支撐輻射元等單元組件的主要載體，并保證負載作用下正面的精度，重點考慮提高天線反射面板結構抵御扭轉變形能力。在陣面骨架中設計中，利用縱、橫加強梁之間的剛性交匯，呈井格式排列，提高反射面板的剛強度，同時多組功分器也在縱向加強了面板剛度，如圖10所示。

圖10 加強梁的分布Fig.10 Distribution of strengthened beam

天線陣面的加強筋采用裝配夾具進行定位與夾緊，保證準確的尺寸和形狀后再鉚接，鉚接工藝具有構件的殘余應力小和形面的加工精度高的優點。天線陣面要求的定位、安裝基準孔，安排在鉚接后加工。

4 熱設計

新型車載相控陣天線的發熱模塊主要集中在發射組件及電源。熱設計的重點在于保證發射組件工作在適當的溫度范圍內，并盡可能保證各組件工作溫度一致性。

通過仿真分析得知:發射組件及電源僅靠自然散熱不可能滿足其工作要求，須采取強迫風冷來強化散熱。根據天線結構特點和裝載要求，發射組件及電源中的發熱模塊的熱量，傳遞到冷板和齒狀散熱器上，再通過風機將散熱器上的熱量向上散出，如圖11所示。

圖11 散熱風道Fig.10 Cooling air duct

5 結語

某新型車載相控陣天線結構設計的關鍵是協調處理好各個電子單元之間的接口關系，將各種相關的因素綜合考慮，合理布局，才能滿足相控陣天線的裝載及工作狀態要求。特別需要強調的，某新型車載相控陣天線主框架的設計對控制整個產品的重量以及保證天線精度至關重要;對產品散熱設計，特別是發射組件及電源模塊熱處理，直接影響整機的性能。該新型車載相控陣天線已經達到了實際應用狀態，在應用中滿足設計要求。相比其他類似設備具有布局科學實用、結構緊湊簡單，安全性可靠性高，操作方便等特點。

［1］ 邱成悌，蔣全興.電子設備結構設計原理［M］.南京:東南大學出版社，2002.QIU Cheng－ti，JIANG Quan－xing.Design Principle of Electronic Equipment Structure［M］.Nanjing:Southeast University Press，2002.

［2］ 周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接［M］.北京:機械工業出版社，2006.ZHOU Wan－sheng，YAO Jun－shan.Welding of Aluminum and Aluminum Alloy［M］.Beijing:China Machine Press，2006.

［3］ 成大先.機械設計手冊 第五卷［M］.北京:化學工業出版社，2002.CHENG Da－xian.Mechanical Design Manual，Volume 5［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2002.