一種Ka波段縫隙天線的結構設計及制造工藝

李漢林，湯明春，杜 兵

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

波導縫隙天線由于具有體積小、重量輕、結構緊湊、口徑利用效率高等特點而被廣泛用于機載、艦載等武器裝備。Ka波段縫隙天線因其頻率高、波長短等特點對天線結構提出了更高的精度要求。

本文針對一種Ka波段縫隙天線提出2種基于不同制造工藝的天線結構方案，對這2種結構進行詳細闡述，并就各結構特點、制造難點及后續研究方向進行了探討。

1 設計要求及技術難點

該天線是某艦載設備的核心組成部件，其性能直接影響整個設備的系統功能。天線內部腔體前端為2層天線輻射縫隙，輻射縫隙中間為輻射波導腔；后端為波導功分網絡。

根據天線性能要求，單個縫隙外形、縫隙間相對位置、輻射波導腔外形、功分網絡外形精度均需控制在±0.02 mm之內；輻射波導腔及波導功分網絡腔體表面粗糙度優于1.6；各腔體之間要求氣密，不允許腔體互通。針對本天線精度高、壁厚薄的特點，其技術難點在于：

(1)制造工藝。目前波導縫隙天線主要的制造工藝有裝配成型、粘接成型、焊接成型，選擇合適的制造工藝可以降低制造難度及制造成本。

(2)分型面劃分。根據制造工藝劃分腔體分型面，其原則是不破壞內部輻射腔的整體性，拆分的零件易于加工。

(3)精度控制。將天線電氣性能允許的尺寸精度合理地分配給零件加工和成型工藝；選擇合理的工藝路線，盡量減少零部件變形。

2 結構設計

天線結構設計原則是在滿足電氣性能的前提下，符合工程化需求。在天線設計前期，結構設計的重點是驗證電氣指標能否達到設計預期；電氣性能達標后進行工程化設計，工程化設計時需綜合考慮可靠性、環境適應性、工藝性及經濟性。因此，在本天線結構設計中選擇如下2種結構形式：裝配成型和焊接成型。

2.1 裝配成型

裝配成型是將天線分割為若干易于加工的零件，通過螺釘裝配在一起。裝配成型的天線結構形式簡單，易于加工，在工程實際中有著廣泛的運用。針對本天線，其設計制造難點在于分型面劃分、精度分配及精度控制。

分型面劃分基本原則如下：不破壞內部腔體的完整性，盡量從腔體端面拆分；盡量保證拆分的零件厚度相當，不出現壁厚特別薄的低剛度零件；便于加工，不出現需多次裝夾加工成型的零件。

精度分配是將電性能允許的尺寸精度及形位公差分配給各個拆分零件及裝配工藝。各拆分零件需以拆分面為安裝基準，以裝配基準為加工基準設計內部腔體、輻射縫隙等特征結構，實現單個零件加工與整體裝配統一基準，減少因基準轉換產生的累積誤差。

零件精度取決于機床精度、工裝設計及典型特征細節處理。目前國內的機床精度普遍較高，完全能滿足此天線零件加工需求；設計工裝時，盡量統一零件的加工基準，減少累積誤差；對精度要求高的典型特征(如輻射縫隙)進行去毛刺處理，保證典型特征表面的光潔度。

如圖1所示，本天線劃分成4個獨立零件進行加工，先加工大致外形及精加工接觸面，加工完成后將4個零件組合加工共用定位銷孔，并設計與定位銷孔相匹配的工裝，加工各零件內部腔體及輻射縫隙時，以此工裝為加工基準，實現4個零件的同一基準加工，減少因零件加工基準不統一而產生的誤差。采用空走刀等手段去除輻射縫隙內的毛刺，并使用三坐標投影儀等手段對尺寸進行檢測。

圖1 分型面劃分圖

檢測合格的零件，先用預先設計的定位銷定位，再用螺釘緊固，螺釘涂螺紋膠，裝配完成后天線外形如圖2所示。

圖2 天線外形圖

2.2 焊接成型

目前國內外天線產品的焊接主要采用真空釬焊或鹽浴釬焊工藝，真空釬焊因不使用釬劑、成品率高等特點而被廣泛運用，本天線具有精度高、縫隙小等特點，選擇采用真空釬焊。真空釬焊是將釬料加熱到合適的溫度(高于釬料液相線，低于母材固相線溫度)，利用液態釬料在母材表面潤濕和毛細作用填入母材焊縫接頭，形成材料之間的連接。針對本天線，焊接成型的難點在于：焊接性能驗證、焊接分型面劃分、焊接件結構形式等。

真空釬焊過程是一系列復雜的線性及非線性過程，包括相變過程、釬料流動、材料伸縮、熱應力及形變等，需進行前期焊接性能驗證，包括焊接伸縮率驗證、釬料流動率驗證及焊接溫度控制驗證等，以驗證結果為指導實施結構設計，力求將上述問題的影響降低到最低。

焊接分型面劃分直接關系焊接方案及焊接質量，分型面劃分原則是要便于焊接，盡量遠離天線電性能區，盡量保證大面接觸焊接。大量研究證明，一次焊接成型方案優于二次或多次焊接成型方案，故本方案設計之初，優選如上文裝配成型方案所述的零件拆分方案，但此拆分方案會出現大面與很多小面接觸焊接的狀況，容易形成虛焊，且焊接時工裝需大面積擠壓直縫隙端面，極易造成縫隙收縮，影響電氣性能。故本天線采取二次焊接工藝完成焊接，將天線分為輻射單元和功分網絡單元。先將輻射單元和功分網絡單元分別焊接成型，再將這2個單元焊接在一起完成天線單元的焊接。2次焊接選擇溫度梯度較大的釬料，將二次焊接對一次焊接的影響降低到最小。

焊接件結構設計時需充分考慮前期焊接性能驗證結果，如根據前期釬料流動率驗證結果，將釬料變形量折算成零件焊接面尺寸預留量；根據釬料溢出量設置釬料溢出區，將釬料流動控制在釬料溢出區內等。

如圖3所示，將輻射單元劃分為天線條、上蓋板、下蓋板。天線條是關鍵零件，為保證輻射單元精度，將前后輻射縫隙端面及中間輻射腔一體化設計，在與上下蓋板接觸位置設置釬料溢出槽，防止焊接時釬料流入輻射腔體內；上、下蓋板上設計與輻射腔體相對應的凸臺，在保證輻射腔體尺寸的同時，將釬料溢出區與輻射腔體隔離；零件采用高精度機床加工，采用空走刀等手段去除輻射縫隙內的毛刺，加工完成后采用三坐標投影儀等測試儀器檢測。焊接工裝壓接在上下蓋板端面，設計彈性工裝保證焊接面接觸良好；輻射單元焊接完成后進行密封性試驗，保證各腔體之間氣密。

圖3 輻射單元拆分圖

如圖4所示，將功分網絡組件劃分為功分腔體與蓋板兩部分。功分腔體前端面是與輻射單元的焊接面，在前端面設置為凸臺形式，凸臺端面與輻射單元接觸焊接，凸臺高度高于輻射單元上與之配合的槽深，確保焊接接觸面接觸良好；凸臺周邊設置釬料溢出區，保證釬料不流入內部腔體；設計彈性焊接工裝，確保焊接面接觸良好。焊接完成后進行氣密性試驗，確保焊接牢固可靠。

圖4 功分網絡單元拆分圖

如圖5所示，將輻射單元與波導功分網絡單元用低溫焊料焊接在一起形成天線。設計彈性焊接工裝確保焊接面接觸良好。焊接完成后進行X光檢測及氣密性檢測，確保焊接質量達標。

3 實物加工情況及后續研究方向

圖5 天線外形圖

根據上述制定的工藝路線，對2種天線進行實物試制驗證，裝配成型的天線外形圖如圖6所示，真空釬焊的天線外形圖如圖7所示。經檢測，天線性能均能滿足設計需求。

圖6 裝配成型天線外形圖

圖7 焊接成型天線外形圖

通過實物試制可以得出如下結論：裝配成型的天線成品率幾乎是100%，但在后期可能存在由于振動、沖擊等因素造成螺釘松動、精度降低的風險，雖然采用了螺紋膠等手段，但這一風險無法徹底釋放，如何提高天線的強度及剛度、結構穩定性是裝配成型天線后續研究的方向；焊接成型的天線整體強度、剛度均優于裝配成型的天線，但焊接過程是不可控過程，每一個環節均會對產品性能產生不可估量的影響，需通過多輪試制，確定合適的焊接參數、裝夾工裝，制造難度較大，成品率較低，如何提高成品率是焊接成型天線后續研究的方向。

后續設計中需從下面幾個方向進行結構優化：針對裝配成型的天線，優化連接形式設計，并采用膠水等輔助手段提高結構強度、剛度和結構穩定性；針對成型的天線，使用有限元數值分析手段模擬焊接過程，根據分析結果設計焊接工裝，再通過實物焊接修正工裝設計，以提高焊接成品率。

4 結束語

本文以工程研制周期為基礎，在工程研制的不同階段提出了不同的設計思路及方案，滿足不同階段的需求：在產品性能驗證階段提出了天線裝配成型的設計思路，解決基本問題；性能驗證完成后，從工程應用出發，提出了焊接成型的設計思路；分析了這兩種結構形式的優勢及不足，并就改進方向提出了自己的看法。

上述均為作者在天線設計時的膚淺認識，希望能為天線結構設計人員提供些許幫助。