一種兩維擴展層模塊的設計

宮乙帥，劉軍，羅安治，周錦文

（揚州船用電子儀器研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

近年來，隨著相控陣雷達的發展，其已逐漸成為雷達技術主流趨勢，而天線前端結構設計是相控陣雷達設計的一個重要方面［1］。某工作頻段相控陣雷達在設計時，受到支撐結構、冷卻系統等因素的空間限制，陣列單元間距與T／R組件通道的間距需要進行轉換。本文研究了一種模塊化拼裝式擴展層結構，將T／R組件通道的間距轉換為陣列單元間距，既要滿足結構安裝精度要求，又能達到射頻傳輸的一系列電性能指標。這種模塊化擴展層組件的設計在于獲得研制周期短、質量高的產品［2］。擴展層結構通過前、后端面布置盲插射頻連接器，實現天線陣列單元的一維或兩維擴展，這種盲插射頻連接器的尺寸小、插拔方便，可使陣面結構更加緊湊［3］。由于相控陣雷達技術面臨著越來越復雜的電磁環境，因此，擴展層結構在使用時的可靠性越來越受到重視［4］。本文通過對單個擴展層模塊的電纜組件的電性能測試，以及利用有限元分析方法，利用仿真軟件對天線結構進行靜力學分析，以優于經驗設計的仿真數據對擴展層結構進行優化設計，有效解決了陣列天線與后端組件的連接問題，為該領域的研究提供了極具價值的借鑒方法。

1 擴展層結構設計

1.1 擴展層連接形式

擴展層與陣列單元對接的每個端口為SMP－JYD20M－S2型連接器，半擒縱形式，陣列天線上每個輻射單元的連接端口為SMP－JYD20M－S1型連接器，非擒縱形式，擴展層與陣列天線之間通過SMP－KK28型連接器過渡。兩種SMP－J型連接器具有一定軸向浮動量，浮動0～0.5 mm，工作狀態軸向壓縮大約0.4 mm，SMP－KK28型轉接器徑向兼容性為±0.25 mm，軸向兼容性0～0.25 mm。

圖1 擴展層連接示意圖

擴展層與T／R組件通道對接的每個端口為SBMA－K型連接器，T／R組件通道利用SBMA／SMP－JYJ轉接器進行轉接，SBMA－K型與SBMA／SMP－JYJ型對插時，SBMA－K型連接器具有一定的浮動量，徑向浮動為±0.25 mm，軸向浮動0～2.2 mm，其中SBMA－K插座外露1.6 mm，也可縮入擴展層結構件內部，工作狀態軸向壓縮0.4～0.8 mm。擴展層的具體連接形式如圖1所示。

1.2 擴展層受力分析

擴展層與陣列天線對接時，某雷達產品天線模塊設計有96個SMP－J型通道，需要同時進行插拔，為方便裝配與拆卸，需控制SMP－KK型轉接器插拔力，使其單路分離力約為3 N，其中外導體分離力控制在2～3 N （取平均分離力2.5 N），內導體分離控制在0.3～0.8 N （取平均分離力0.5 N），單路嚙合力約6 N，96個通道同時插拔時分離約為288 N，插入力約為864 N（考慮多路對插時不對準度的影響因素插入力量增大1.5 倍）。

擴展層與T／R組件對接時，某雷達產品組共安裝8個T／R組件，正反貼裝，共64個通道，與擴展層連接的端口為SBMA／SMP－J型，為方便裝配與拆卸，需對其嚙合力和分離力進行控制，單路分離力約為3 N，其外導體及內導體分離力控制要求同SMP，單路嚙合力約為8 N；64通道同時分離力約為192 N，插入力約為768 N（考慮多路對插時不對準度插入力量增大1.5倍）。

1.3 結構設計

陣列天線單元的間距為A×B，T／R組件的射頻通道間距為a×b，因此擴展層模塊在設計時應充分考慮組裝后的可靠性。陣列天線的擴展是由多個擴展層模塊組裝而成的，由于陣列天線為三角陣列布置，考慮到擴展層模塊的互換性，與陣列天線相連的一側設計為鋸齒形結構［5］。為了增加擴展層整機工作時的結構剛性，擴展層支撐架采用一體加工成型，并在前后板之間設計多處加強肋，加強肋有效避開了射頻連接器的安裝位置，同時便于射頻線纜的固定。圖2所示為擴展層支撐架結構示意圖。

圖2 擴展層支撐架結構示意圖

擴展層模塊的SMP－J端平面精度及位置度精度會影響后續陣列天線與擴展層的連接可靠性，是保障的重點［6］。擴展層組裝后的平面精度主要由擴展層支撐架兩個端面的加工精度以及與其自身安裝的框架表面加工精度決定，其安裝面平面度不大于0.1 mm。擴展層模塊的精度在厚度方向公差為±0.05 mm，其他兩個方向公差最大為±0.1 mm，考慮其自身安裝框架的平面度0.1 mm及定位銷定位精度±0.05 mm，綜合累積公差，擴展層裝配后SMP－J端面的厚度方向公差不大于±0.15 mm，其他兩個方向公差帶不大于±0.15 mm。

為保證擴展層模塊相互之間的位置精度，使用一對定位銷在兩端安裝面進行定位，同時兩端安裝面均設計有4顆M5脫不出螺釘，有效防止擴展層在安裝、拆卸時，螺釘不會掉落至擴展層內，提高了陣面裝置的維修性。

2 擴展層電性能設計

擴展層的電性能指標主要有在某工作頻段下的駐波、插損、損耗幅度一致性、相位一致性以及通道隔離度等，均需要通過仿真、計算或測試等來驗證分析。

2.1 駐波比

本文以理論設計為基礎，通過仿真軟件，對電纜組件結構尺寸仿真計算、分析，確定了電纜組件基本結構的可行性，再通過加工精度控陣，確保電壓駐波比達到目標值。

2.2 相位一致性

電纜組件之間相位一致性主要從以下3個方面來考慮：（1）選擇穩相性能良好的電纜作為基礎；（2）有效控制電纜組件的長度一致性；（3）在保證焊接可靠的前提下，盡量縮短焊接時間，防止電纜老化。本次設計選用了性能優良的3506電纜，經高精度的加工、檢測設備，有效保證了該指標。

2.3 插損的計算

電纜組件的插損值為：（連接器插損＋電纜插損）×1.1。本次擴展層使用的電纜為3506型電纜，其插損為2.7 dB／m （某頻率）；連接器插損0.15 dB／只（某頻率）。則通過計算得單通道電纜組件插損為0.8 dB，滿足使用要求。

2.4 通道間隔離度

根據擴展層前后端面實際轉接的射頻通道間距，即陣列天線單元間距為A×B，T／R組件通道間距為a×b。根據擴展層前后端面射頻連接器的布置情況，進行試驗測試。具體測試方法如下。

（1）制作兩根電纜組件，一端為SMA－K型，一端為SMP－J型；SMP－J端接SMP－K型負載，然后將兩個SMP端放置的間距為B（擴展層SMP－J端最小間距為B），兩個SMA－K型端口分別連接矢網測試某工作頻段下損耗值，測試過程如圖3所示，損耗值如表1所示。

（2）制作兩根電纜組件，一端為SMA－J型，一端為SBMA－K型；SBMA－K型端接SBMA－J型負載，然后將兩個SBMA端放置的間距為b（擴展層SBMA－K端最小間距為b），兩個SMA－J型端口分別連接矢網測試工作頻段下損耗值，測試過程如圖4所示，損耗值如表1所示。

圖4 SBMA－K端隔離度測試（電纜2）

表1 SMP－J端口／SBMA－K端口組件隔離度

（3）制作兩根電纜組件，一端為SMP－J型，一端為SBMA－K型（同擴展層電纜組件）；SBMA－K型端接SBMA－J型負載，然后將兩個SBMA端放置的間距為b（擴展層SBMA－K端最小間距為b），兩個SMP－J端通過轉接器分別連接矢網測試某工作頻段下損耗值；SMP－J端接SMP－K型負載，然后將兩個SMP端放置的間距為B（擴展層SMP端最小間距為B），兩個SBMA－J型端口分別連接矢網測試某工作頻段下損耗值，測試過程如圖5、6所示，損耗值如表2所示。

圖5 SBMA－K端接負載（電纜3）

圖6 SMP－J端接負載（電纜3）

表2 SMP－J／SBMA－K 電纜組件隔離度

綜合上述試驗測試結果的對比分析，在設定的通道間距下，擴展層通道間的隔離實測值可達－74 dB，滿足某工作頻段的隔離度要求。

3 結構件仿真分析

擴展層模塊支撐架前后安裝的連接器均需浮動，擴展層在工作狀態下軸向壓縮量為0.4 mm，單通道承受彈簧的彈力取極限值（約11 N）。擴展層在整機組裝完成后，SBMA及SMP端的平面各自需承受128個射頻連接器的彈簧彈力，彈力總和約1 408 N，即SBMA安裝端面及SMP－J端面均需承受1 408 N的正壓力，基本為均勻分布。

在NX10.0三維設計軟件中對擴展層模塊支撐架進行建模，然后將模型導入分析軟件ANSYS Workbench中進行有限元分析，以優于經驗設計的仿真數據對支撐架結構進行優化設計［7］。擴展層模塊支撐架的材料特性如表3所示。

表3 擴展層支撐架材料6061鋁合金的性能參數

3.1 邊界條件及網格劃分

在ANSYS Workbench軟件中，根據實際受力情況對模型進行約束條件的設定，如圖7所示。固定方式：在SBMA－K端面兩側共面，各用4顆M5螺釘緊固，螺釘連接按照固定約束處理。載荷約束：在SMP－J端面施加垂直方向1408N力，均勻分布，由上向下；在SBMA－K端面施加垂直方向1 408N力，均勻分布，由下向上。

圖7 擴展層模塊支撐架受力示意圖

對擴展層支撐架有限元模型進行網格劃分，通過控制網格的單元及節點數，確保運算有效，節點數量約130萬個，單元數量約86萬個，網格平均質量81%。約束條件設定完成后，對模型進行仿真計算［8］。

3.2 分析結果

經ANSYS Workbench軟件分析，擴展層模塊支撐架在設定的安全系數下，最大應力值為22.09 MPa（圖8），主要分布在加強肋處，遠小于該材料的許用應力，在最嚴苛的狀態下滿足設計要求；最大變形量為0.039 mm （圖9），主要分布在SMP－J端面，也遠小于該材料的許用變形量，不會影響零件配合精度，同樣滿足要求。

圖8 擴展層模塊支撐架應力分布云圖

圖9 擴展層模塊支撐架應變分布云圖

4 擴展層模塊實際使用

根據電纜組件測試分析以及結構件的多輪優化仿真設計，同時綜合了支撐架整體加工成型的工藝性及電纜組件安裝可行性等，對擴展層模塊進行批量化的加工生產，如圖10所示。單個擴展層模塊測試性能優良，多組擴展層模塊隨產品整機安裝后，成功通過了一系列環境試驗，穩定可靠。

圖10 擴展層模塊實物圖

目前該擴展層模塊已成功運用到某頻段雷達產品中，實際使用效果良好。同時，有效提高了該雷達產品的模塊化水平，使得陣面內部器件拆裝方便，大大節省了雷達陣面的裝配時間，降低了成本。

5 結束語

本文通過合理的精度控制、誤差分配保證擴展層模塊的定位安裝，同時通過對所選射頻連接器電性能的測試分析，驗證了擴展層轉接的可靠性。由擴展層模塊拼裝而成的兩維陣列擴展結構，成功應用于某頻段雷達產品，有效解決了該雷達高密度射頻轉接的問題，實現了產品模塊化轉接設計的目標，達到了預期研制目標。