某機載雷達有源天線結構設計

蔡香偉 束峰濤

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

隨著現代信息戰爭需求和科技的不斷發展，有源相控陣體制在可靠性、隱身性、抗干擾能力和多目標攻擊能力等方面均有大幅度提升，逐漸成為現代雷達產品的主流[1-3]。

本文針對某機載雷達研制的任務需求，設計了一種有源相控陣天線，通過力學仿真，驗證了天線結構設計滿足剛強度指標要求。

1 有源天線結構設計

圖1 有源天線安裝示意

天線陣面采取二維陣列布局且天線密度大，陣面中的有源設備較多，陣面安裝精度要求高，因此需合理采用高度集成化的設計理念對陣面設備進行精心布局。有源天線結構分解如圖2 所示，按設備組成的功能將其劃分為有源相控陣天線、低功率射頻等兩大部分。

圖2 有源天線分解示意

有源相控陣天線包括微帶列線源、校正網絡、校正開關、可擴充陣列模塊、子陣網絡、陣面電源、反射板及天線框架等。其中天線框架是天線單元的主承力構件，天線陣面的機、電、液接口均需經其轉接，再與外部相連。反射板與天線陣子安裝在天線框架的前端面，可擴充陣列模塊、校正網絡、陣面電源等沿陣面法向方向安裝在反射板上，校正開關布置在天線框架上端內壁上，子陣網絡安裝在可擴充陣列模塊的后表面上。

低功率射頻安裝在天線框架的背面，主要由窄帶接收、數字收發、模擬收發、頻率合成及接收電源等模塊組成，低功率射頻與天線框架通過法蘭連接，整體形成一個封閉的箱式結構，有助于增加系統的結構剛強度。在箱體底部加裝一對阻尼鉸鏈，當設備需要維修時，可以防止低功率射頻跌落，并避免電纜拉扯破壞。圖3 為有源天線陣面背面示意。設備布局綜合考慮了各設備之間的線纜互聯，避免線纜交叉，同時對于需要維修的設備如可擴充陣列模塊、子陣網絡等采用盲插方式安裝，便于各設備的維修與拆裝。

圖3 有源天線背面

1.1 天線陣面

天線陣面為扁平結構的二維有源相掃天線，具有模塊化程度高、體積小、重量輕等特點。圖4 為天線陣面的示意，天線采用矩形布陣，有效口徑為294.4（俯仰）×166.4mm（方位），俯仰向集成設計為列線源形式。

圖4 天線陣面示意

1.2 反射冷板

反射板是機、電、液一體化設計的基準，結構形式需進行優化設計，使其集天線陣子的電反射面、可擴充陣列模塊承力件，電、液盲配板于一體，列線源與可擴充陣列模塊分別固定在反射冷板的兩側。列線源輸出口通過SMP 接頭與可擴充模塊輸入口直接盲插連接，校正網絡與列線源的校正輸出接口同樣采用盲配形式連接。圖5 為反射冷板示意圖，反射冷板上設置水分配器、靜壓腔，與可擴充陣列模塊通過水接頭盲配連接，將冷卻液帶入可擴充陣列模塊中的冷板中，進而將熱量帶走。

圖5 反射冷板示意

1.3 可擴充陣列模塊

可擴充陣列模塊是有源天線陣面的核心，它的體積、重量、發熱量在整個天線系統所占比例最大，因此要求SAM體積盡量小，重量盡量輕，散熱最佳。

可擴充陣列模塊從反射冷板的背面（正面為列線源的安裝面）插拔裝卸，其電連接器和液冷連接器均安裝在反射冷板背板上，采用盲插拔的連接形式。為了保證可擴充陣列模塊的盲插拔功能和性能，其殼體上的機械接口、電接口、液接口的位置精度要求較高，不能低于±0.05mm。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要優先考慮液接口的要求：在進液、回液水接頭附近分別布置一個定位銷，如圖6 所示。

圖6 可擴充陣列模塊示意

1.4 子陣網絡

有源天線陣面共有4 個子陣網絡，外形如圖7 所示，包含功分/合成網絡、電源管理網絡、波控電路，為可擴充陣列模塊提供所需的射頻、電源、控制信號。

圖7 可擴充陣列模塊

2 多級盲配互聯技術

由于單元間距小、集成度高、連接通路多，如果采用傳統的射頻電纜對微帶天線與可擴充陣列模塊之間、可擴充陣列模塊與子陣網絡之間進行射頻連接，已經無法滿足產品小型化要求，而多級盲配互聯技術已經廣泛應用在高密度集成設備中[4-5]，因此，在天線系統饋電網絡設計過程中選擇了盲配實現各級模塊之間的射頻互聯。每一級盲配均通過銷孔和定位銷的配合保證盲配精度;盲配互聯設計提高了連接可靠性，降低系統結構剖面尺寸、重量和損耗，并具有較好的維修可達性。

3 有源天線力學仿真

根據天線的具體結構形式，轉臺、天線骨架、可擴充陣列模塊、低功率射頻等采用實體與殼單元模擬；子陣網絡、陣面電源、校正開關、校正網絡等采用殼單元模擬；電纜、連接器、液冷接頭等非承力件，在保證重心位置不變的情況下采用質量單元進行等效，有限元模型如圖8 所示。

圖8 有限元模型

在前后方向隨機振動條件下，陣面法向變形最大，均方根值為0.1 毫米，小于電訊指定的0.2 毫米指標要求；在9g 向后過載的載荷條件下，應力值最大，為73MPa，天線骨架采用5A06 鋁合金加工，許用應力為155MPa，滿足強度設計要求。

4 結論

基于某機載雷達任務需求，本文對有源相控陣天線進行了結構設計，并對其進行了力學仿真分析，計算結果表明系統滿足設計指標要求。