某型Ka波段調頻連續波雷達結構設計

吳 良 龔 偉 劉永寧 王家明 胡城鎮

(安徽四創電子股份有限公司 合肥 230009)

0 引言

Ka波段調頻連續波雷達(簡稱Ka連續波雷達)是一種新研制的測云雷達。該雷達工作于Ka波段，采用雙極化技術和線性調頻連續波體制，利用云滴粒子群對電磁波的散射作用和退極化效應，實現對本場上空20km范圍內云的高密度、精細化探測，實時獲取探測范圍內云目標的位置、分布、強度、云滴粒子群相對于雷達的平均徑向運動速度和速度譜寬以及線性退極化比等相關信息。

Ka連續波雷達具有峰值功率低、距離分辨率高、無距離模糊、探測盲區短、設備相對簡單等技術特點，主要就是利用調頻連續波雷達具有的高精細測距、測速能力對云目標進行精細化探測和研究。該雷達作為一個低功率、高分辨率的微波遙感設備在氣象探測方面應用優勢明顯，對開展相關氣象研究具有重要的積極意義。

文中將在前人研究工作基礎之上，采用自頂而下的設計流程，并針對某型Ka連續波雷達結構設計中的天線骨架輕量化設計，高精度天線設計，高疏水性天線罩設計，環控設計進行論述，采用先進的測量儀器和仿真分析軟件，保障了雷達的高精度指標要求和環控性能要求。

1 雷達結構總體設計

1.1 雷達結構設計要求

1)工作溫度：-40℃～+50℃(室外)；

2)儲存溫度：-50℃～+70℃；

3)抗風能力：工作風速 ≤35m/s；

4)天線口徑：550mm，天線中心距750mm；

5)天線主反射面面精度和副反射面面精度高，天線同軸度好；

6)重量輕、方便運輸、易架設。

1.2 雷達設備組成

Ka連續波雷達由室內設備和室外設備兩部分組成，室內設備為一臺高性能計算機，室外設備由4個部分組成：天線骨架、兩個卡賽格倫天線(分別為發射天線和接收天線)、電子設備(包括發射機、接收機、信號處理、控制組件和電源組件)、兩個天線罩。

1.3 雷達結構總體設計

在滿足電訊指標要求前提下，采用簡潔的結構形式及成熟的工藝技術，以降低研發成本及風險，縮短研制周期；采用輕型化材料，減輕雷達整機重量，減小雷達外形尺寸，以方便運輸和架設，在上述原則的指導下，天線骨架主體結構使用鋁型材拼接構型，在其外部安裝蒙皮結構以增加防護性能；卡塞格倫天線使用ZL101A低壓鑄造成型，精加工后分別安裝于天線骨架的頂部平臺之上，發射天線下部骨架內安裝發射機和電源組件，接收天線下部骨架內安裝接收機、信號處理和控制組件。天線罩采用圓筒結構，側壁為鋁合金板焊接而成，頂部為高透波材料，雷達總體結構見圖1所示。

圖1 Ka連續波雷達結構示意圖

雷達的外形尺寸為1500×700×1100(長×寬×高，單位mm)，小型貨車即可完成轉場運輸，雷達總重量約60kg，短距離可以采用人工搬運；雷達陣地表面平整度要求不高，一般的水泥混凝土地面或者能經受雨水沖刷的土質地面即可滿足要求，架設時可以利用天線骨架底部的4根萬向調節支腿進行調平，通過觀察天線骨架上縱橫布置的兩根水平儀來檢驗天線架設的水平度。

2 雷達結構分部設計

2.1 天線骨架結構設計

目前大多數天線骨架采用焊接或鑄造的方法加工，輕量化雷達多采用鋁合金材料，然而焊接或者鑄造對外協廠家的生產技術要求較高，不利于成本的控制。利用工業鋁型材拼接的方法加工，工藝簡單且成本低廉。工業鋁型材材質為6063，表面經過陽極銀白氧化處理，美觀且抗腐蝕性能優異，鋁型材之間使用角件、T型螺栓和彈性螺母連接，鋁型材自帶安裝槽，除按要求尺寸切割成不同長度外，無需進行其他加工。

依據設計要求將天線骨架分為三個部分：支撐框架、發射天線框架、接收天線框架，結構示意圖見圖2所示：圖中天線安裝板和水平儀安裝板表面同基準加工，雷達架設過程中通過調節底部的萬向支撐，使得縱橫水平儀水泡居中，接收天線和發射天線在同一水平面且指向相同。

圖2 天線骨架示意圖

天線安裝板和水平儀安裝的平面度和平行度要求高，使用三坐標儀進行檢測。

2.2 卡賽格倫天線設計

發射天線和接收天線結構基本相同均包括主反射面、饋源、波導、副反射面、副面支撐五個部分，見圖3所示，饋源和副反射面安裝于主反射面的中心軸線上，三者的同軸度要求很高。主反射面與波導，波導與饋源之間均設計有定位結構，保證三者之間的同軸度達到要求。副面支撐安裝時，需制作專用對心工裝，副面支撐安裝后，副反射面安裝于中心孔中，從而實現主副反射面同軸。

主反射面口徑550mm，厚度120mm，見圖4所示，因減重需要，整個反射面除去加強筋外，其余厚度在5mm～6mm之間。主反射面若使用鋁板機加工，則加工量大、作業時間長，不利于批量化生產；對于復雜的結構件，利用鑄造的加工方法效率高，易批量生產。主反射面鑄造成型后再對反射面和底部固定面的精加工處理，低壓鑄件內部致密、孔隙數量少[1]能夠很好的保證精加工后的面精度。

圖4 反射面結構示意圖

Ka連續波雷達屬于毫米波雷達，天線的精度要求很高，依據波長對反射面進行網格劃分，主反射面共有1373個檢測點，副反射面(口徑50mm)共有139個檢測點，如此多的檢測點，必須借助高精度的自動化檢測儀器，三坐標儀可以勝任此工作。天線結構中的反射面與饋源、饋源與副反射面、主副反射面之間的同軸度亦可以使用三坐標儀進行測量。

2.3 天線罩設計

天線罩是雷達系統的重要組成部分，它可以在雷達天線的周圍形成一個封閉的空間，以保護雷達天線系統免受大氣環境的直接作用。天線罩的設計應考慮雷達的頻段、天線的結構形狀、電磁波入射角、透波率、結構力學、疏水性等因素。

2.3.1 天線罩電性能設計

鑒于此次設計的Ka連續波雷達天線口為550mm，設計內徑570mm的圓柱形天線罩，連續波雷達的工作特性需求增加發射天線和接收天線的隔離度，故天線罩的側壁使用金屬材質，頂部選用高透波性的非金屬材質。

天線罩側壁選用鋁合金材質可以大大減輕天線罩的重量，側壁使用厚度2mm的防銹鋁合金板，卷制成圓筒形，對接邊開坡口使用氬弧焊焊接，焊縫與板面平齊。天線罩側壁上下面均焊接圓形法蘭盤，上部安裝天線罩頂蓋，下部與天線骨架固定，固定面均安裝密封墊圈，以防止雨水進入。

天線罩頂蓋材料選擇首先要考慮電性能，必須具有良好的透波性，其“介電常數”和“介電損耗角正切”這兩個參數值要小，Ka連續波雷達的天線罩透波率需大于95%，結合頂蓋的安裝方式和使用要求，頂板材料選用聚四氟乙烯板，其介電常數ε=2.2，介電損耗角正切tgδ=0.006。

天線罩頂板透波率│T│2受厚度d，入射角θ、反射率Γ、熱損耗Q等影響[1]。頂板厚度d按公式(1)計算得

d=nλ/[2(ε-sin2θ)1/2]

(1)

其中n—整數，n=1,2,3…；

ε—介電常數；

λ—電磁波波長；

θ—電磁入射角，當電磁波垂直于頂板時θ=0°(實際應用中入射角0～35°范圍內，對天線罩性能影響很小，計算時θ均可以取0°)。

Ka連續波雷達波長λ為8.6mm，計算可得d=2.9mm，頂蓋懸空部位直徑為570mm，厚度2.9mm的聚四氟乙烯板撓度變形較大，故頂蓋厚度選用5.8mm。

頂蓋反射率Γ由公式(2)估算得到。

│Γ│2=[(ε-1)ΠΔd/λ]2

(2)

其中│Γ│2為天線罩反射率；Δd為厚度工藝誤差，頂蓋板使用10mm厚聚四氟乙烯板精加工，加工誤差取0.2mm。

經公式(2)計算得│Γ│2=0.77%。

頂蓋板熱損耗Q由公式(3)估算得

Q=2Πdε1/2tgδ/λ

(3)

其中Q為天線罩熱損耗；tgδ為介電損耗角正切。

經公式(3)計算得Q=0.038。

頂蓋板透波率│T│2有公式(4)估算得

│T│2=(1-Q)(1-│Γ│2)

(4)

經公式(4)計算得│T│2=95.5%滿足電性能要求。

2.3.2 天線罩疏水設計

Ka連續波雷達屬于毫米波雷達，水對毫米波具有很高的介電常數和損耗正切角[3]，當雨水造成天線罩表面積水時，甚至很薄的水膜都會大大增加信號傳輸損耗，其增加值與水膜厚度成正比，要減弱這種影響，需提高天線罩表面的疏水性，即水在天線罩表面不易沉積。圖5比較了普通天線罩和疏水天線罩表面在不同雨量、頻率下與傳輸損耗間的關系，隨著雨量的增加，雨水影響變大，雨量越大疏水表面對傳輸損耗的改善愈顯著。

圖5 信號傳輸損失與降雨速率及信號頻率的關系

表面疏水性的含義為水在物體表面是呈珠狀的，而不是鋪展開的，具體的參照標準為水珠表面接觸角θ，如圖6所示，θ>90°，表明疏水；θ<90°，表明不疏水。

圖6 水珠表面接觸角

影響固體表面疏水性的主要因素是材料的表面自由能，水珠接觸角隨著表面自由能的降低而增大[2]。聚四氟乙烯板表面的自由能非常低，水對其接觸角為114°[3]，即為疏水表面。雨水在聚四氟乙烯板表面凝結成水珠后，當表面傾斜一定角度，水珠更易流動，不易沉積，從而保證了Ka連續波雷達在雨天可以正常工作，圖7為天線罩結構示意圖。

圖7 天線罩結構示意圖

2.4 雷達環控設計

雷達工作環境溫度為：-40℃～+50℃，電子設備在高溫下性能降低，為了避免雷達性能的下降，合理的環控設計非常重要。Ka連續波雷達中的電子設備包括發射機、接收機、信號處理、監控組件、電源，工作時發射天線罩的熱量為115W，接收天線罩的熱量為85W。電子設備中發射機熱耗最高，其表面熱流密度最大約為0.1W/cm2，可以采用強迫風冷的散熱方式[4]，經計算，EBM的AC-4400-FNN型號軸流風扇可以滿足使用要求，于是在發射天線和接收天線的天線罩內各安裝一部該型號的風扇已達到散熱要求。

2.5 雷達防護設計

雷達設備通常工作于惡劣的環境之下，設備外表面的防護設計非常重要，Ka連續波雷達做了以下防護設計：

1)雷達結構中萬向調節支撐和拼接緊固件為不銹鋼材料，其余均選用防銹鋁合金；

2)工業鋁型材外面進行涂裝處理，其余鋁合金材料表面陽極氧化處理后進行涂裝處理；

3)電子設備進行三防處理；

4)天線罩頂板為聚四氟乙烯材質，聚四氟乙烯具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、耐候性等特點，其表面無需做任何處理。

3 仿真分析

3.1 天線骨架力學分析

Ka連續波雷達工作時承受的載荷主要為風阻力，風阻力由公式(5)計算可得

P=1/2CXρV2SKh

(5)

其中：

CX——天饋系統迎風面風力系數，按風向垂直較大直立面取值，天線罩選取1.2，支架蒙皮選取1.4，Kh為高度系數，此處取1.4；

ρ——空氣密度，取ρ=1.25kg/m3；

V——風速，V=35m/s；

S——迎風面積；

天線罩最大特征面積：S1=0.41 m2，P1=215.123N；

支架蒙皮最大特征面積：S2=0.38 m2，P2=223.043N；

計算得：P=P1×2+P2=653.29N。

P為雷達承受的最大風阻力，通過軟件仿真分析得到最大應力為35.4MPa，見圖8所示，遠遠低于結構中所有材料的疲勞強度，所以該雷達在風速35m/s的條件可以正常使用。

3.2 雷達散熱分析

利用軟件進行了熱仿真分析，結果見圖9所示，在環境溫度為50℃的情況下，發射機表面溫度最高為66℃，接收機表面溫度最高為60.4℃，其余設備表面溫度均低于60℃，電子設備表面溫度低于70℃可正常工作，故環控設計滿足要求。

圖9 熱仿真分析結果

4 結束語

雷達是一種復雜的電子機械機構，雷達結構設計在雷達研制中占有極為重要的地位，是雷達性能和質量的重要保證[5]。本文從雷達總體結構出發，采用鋁合金型材和低壓鑄造技術，實現了天線骨架和天線的輕量化、高精度的設計要求，同時文中對天線罩電性能和疏水性進行了理論計算和分析，實踐證明天線罩滿足使用需求。