一種機載SAR有源相控陣天線結構設計

李潤生

摘 ?要：設計了一種機載SAR有源相控陣天線的結構，論述了設計難點和解決的途徑，通過集成化設計技術實現了設計指標要求。采用熱、力學仿真手段驗證了天線的環境適應性，結果表明，設計方案是可行的。

關鍵詞：機載SAR;有源相控陣天線;結構設計

1 前言

根據SAR的發展歷程及未來的需求，具有超高分辨率的輕量級SAR會成為主要趨勢[1]。高頻段有源相控陣天線往往能夠實現較高的分辨率，同時具有結構尺寸小、集成度高、重量輕等優點，符合未來機載SAR的發展需求。然而相比較于長波天線或者無源天線，小尺寸、高集成度、輕量化有源天線的結構設計，更多情況下，面臨的是如何解決產品的熱力學環境適應性的問題。

本文介紹了一種機載SAR二維有源相控陣天線的結構設計方案，圍繞集成化設計思路，采取了一系列設計舉措，實現了各項設計指標要求。

2 天線組成及主要設計指標

某機載SAR雷達采用有源相控陣體制，天線部分集成了大量電子設備，主要包括天線輻射陣面、可擴充陣列模塊（以下簡稱：SAM模塊）、天線框架、陣面電源、延遲放大組件、波控分機、校正網絡、功分網絡等。

為匹配載機平臺電子設備艙的布局特點，雷達各組成部分分別安裝于不同部位，其中天線部分剛性安裝于載機背部側面，裝機后天線不能轉動。主要設計指標如表1所示。

3 天線結構設計

3.1系統總體架構設計

綜合考慮輻射陣面精度以及設備維護性等因素，有源相控陣天線的系統架構總體上采用SAM模塊后插的方式，設備集成主要依托天線框架，天線輻射陣面布置于天線框架前端，SAM、陣面電源布置于天線框架內部，波控分機布置于在下端面外部，饋線網絡布置于上端面外部，如下圖1所示。

3.2 核心部件結構設計

3.2.1 天線輻射陣面

天線輻射陣面采用開口雙脊波導天線陣，全陣面共768個輻射單元，輻射單元間距約為10mm。陣面背部每行輻射單元下方均集成一根校正波導，共16根校正波導。

高頻段天線陣面通常分塊設計，這樣便于保證單塊天線子陣面的精度，全陣面的精度可通過總裝的過程控制保證。然而，隨著天線頻段不斷增高，天線輻射單元間距也會隨之減小，就本文所述天線輻射陣面來說，受輻射單元間距和開口波導尺寸的影響，相鄰輻射單元之間的壁厚已經無法進行分塊，只能整體設計和制造，雖然制造難度有所增加，但是天線輻射陣面的精度指標和結構性能得到了更好的保證。

3.2.2 ?SAM模塊

SAM模塊的體積、重量、發熱量在天線中所占比例最大，是整個天線的核心部件，主要由組件1、組件2、組件3、多功能板以及盒體等部分組成，8個組件1對稱地布置在盒體的兩側，組件2、組件3、多功能板布置在T/R組件后面。T/R組件的射頻輸出端經SMP與天線輻射單元連接。

為了保證SAM、陣面電源盲插拔的可靠性，它們的機械接口、電接口、液接口的位置精度要求較高，不能低于±0.05毫米。在這些接口中，定位精度要求最高的是液接口，因此在定位銷的布置和精度要求上優先考慮液接口的要求，兩個定位銷分為一主一輔，避免造成過定位。

3.2.3天線框架

天線框架是天線的主承力部件，不僅為各組成部分提供安裝接口，同時還集成了主液冷管網和液冷分配器，是實現整個天線輕量化設計和高集成設計，保證天線適裝性的關鍵部件。

根據天線單元內部設備布局設計，天線框架采用雙面開口的結構形式，由多個部件拼裝成型，部件之間通過螺栓連接，同時各部件均設計定位結構（定位銷孔和定位螺栓），充分保證拼裝天線框架的精度要求。如下圖2所示。

4 熱設計及仿真分析

4.1 熱設計

熱設計的主要任務是對熱耗較大的設備進行有效的冷卻，以保證其工作在允許的溫度范圍以內[2]。該天線的主要發熱設備有SAM和陣面電源，由于發熱量較大，必須采用液冷散熱技術。

根據天線系統架構和液冷型天線框架結構特點，液冷源的液冷入、出管道直接與天線框架上、下橫梁的主液冷接口相連，24個SAM和2個陣面電源的液冷接口與天線框架內部的分液冷接口相連，上述設備采用并聯的方式實現供液。

由于SAM結構尺寸受限，發熱器件較多，因此熱設計難度較大，本文主要對SAM的熱仿真分析進行論述。

4.2仿真分析

熱仿真分析采用專業熱仿真軟件ICEPAK進行。建模簡化了對溫度影響較小的安裝孔、圓角以及部分薄筋等，經簡化后的仿真分析模型見圖3所示。

仿真結果表明，在占空比10%工作狀態下，當冷卻液入口溫度為55℃，SAM的溫度云圖如圖4所示。比較SAM的元器件殼體仿真溫度與耐熱溫度可知：T/R組件等元器件的殼溫均低于允許的工作溫度上限，SAM的熱設計滿足要求。

5 力學分析

5.1天線框架強度分析

根據設計指標和使用條件，對該天線進行了力學仿真分析，主要計算天線框架在隨機振動、加速度過載條件下的應力情況。根據仿真分析結果，最大應力出現在X向隨機振動狀況下，應力云圖見圖5。

天線框架內部集成液冷管道，綜合考慮強度要求和焊接工藝要求，天線框架的材料選擇鋁合金5A06（H112），根據GJB 2662A-2008《航空航天用鋁合金厚板規范》，鋁合金5A06（H112）的材料抗拉強度（σb）和規定非比例延伸強度（σ0.2）分別為295MPa和135MPa。按照安全系數取1.5計算得到安全裕度為0.24，滿足安全裕度大于0.2的要求。

5.2天線模態分析

天線的主振型及對應的頻率值見圖6，從圖中可知，天線的主模態頻率比較高，整體剛性高。

6 結束語

本文根據機載SAR雷達天線的設計要求，闡述了有源相控陣天線的結構設計方案，通過采用整體成型的設計和加工方式，極大地提高了天線輻射陣面的剛強度，簡化了裝配過程，降低了裝配誤差，使天線輻射陣面精度得到了有效的控制;通過采用可擴充陣列模塊，將有源器件集成設計，形成外場可更換單元，提高了設備維修性和集成度;通過采用液冷型輕質天線框架，不僅降低體積和重量，同時也保證了產品的力學性能。

參考文獻

[1] ?趙為偉，宋曉偉. 機載雷達技術的發展現狀及趨勢[J].電子科技，2018，31（1）：79-82.

[2] ?任開鋒，邱坤濱.一種無人機載SAR 的結構與分析[J].電子機械工程，2018，34（1）：28-31.