某液冷有源相控陣天線結構設計

韓博，王伊，劉鵬，高揚

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710071）

0 引言

相控陣天線具有功率大、易于形成并控制波束進行快速掃描、跟蹤多目標等優點，因此在現代電子戰中得到了廣泛的重視[1]。相比于單口徑反射面天線，有源相控陣列天線可以實現線陣、平面陣、共形陣等多種型式，能更好地滿足高增益、窄波瓣、空間掃描、空間多目標跟蹤、空分多址和自主控制等功能[2]。有源相控陣雷達天線可分為模擬有源相控陣天線和數字有源相控陣天線，其中，模擬相控陣天線經過多年發展，憑借成本低、技術成熟、可靠性高的優勢仍是軍用雷達發展和應用的主要方向[3]。通常來講，有源相控陣天線結構復雜、集成度高，其電性能往往受天線陣面設計如陣列單元的排列方式、天線陣面的傾角、陣列單元間距、陣面大小排布等因素的影響，因此天線結構設計時在滿足電性能指標要求前提下，還要考慮結構指標（體積、質量）、環境要求（風、雨、鹽霧、振動等），以及安裝、運輸、維修等各方面的要求[4]。本文根據某岸基雷達的任務需求，綜合考慮質量、結構指標等因素設計了一種液冷散熱有源相控陣天線，利用ANSYS有限元軟件對其進行了結構抗力學仿真，并通過環境試驗對天線設計合理性進行了試驗驗證。

1 天線結構設計

1.1 天線結構設計要求

某液冷散熱有源相控陣天線為岸基有源相控陣天線，該天線要求為天線內部組件、散熱冷板及前端天線縱單元提供具有合理性、可靠性、維修性的安裝、保護和支撐空間，同時為陣面發熱模塊（TR組件、電源模塊等）提供額定溫度、流量、壓力的液冷循環，將發熱器件的熱量帶走，隨后通過外部冷源將熱量耗散到大氣中，形成冷卻循環周而復始，維持各發熱器件工作在要求的溫度范圍內。該天線主要結構技術指標如下：1）外形尺寸限定在3600 mm×900 mm×900 mm 內（不含前端天線陣列及天線罩）；2）最大可拆卸質量小于500 kg；3）陣面平面度為2 mm。

1.2 天線結構組成

某液冷散熱有源相控陣天線為框架式結構如圖1所示，天線陣面呈對稱性設計，外形尺寸為3500 mm×770 mm×780 mm（含底座高度）。

圖1 天線結構組成示意圖

1.3 天線單元

該天線陣面共由195 個天線單元組成，每個單元通過螺裝固定于天線框架最前端。如圖2 所示，天線單元采用印刷振子的輻射單元，使用聚酰亞胺柔性材料，功分器采用帶線形式，縱列采用功分網絡和輻射振子一體化設計，質量輕、加工方便、成本低。

圖2 天線縱列結構示意圖

1.4 天線主框架

天線框架的主要作用是支撐和安裝天線單機設備，為單機提供安裝接口并對單機設備連接面板起到加強剛度的作用。因此，支撐剛度、接口強度、安裝面平面度是框架結構最重要的考核指標[5]。圖3為天線主框架結構示意圖。后側預留3個維修通道門，維修方便快捷。框架采用拼焊成形，經過熱處理以提高其結構強度，最后用龍門銑床加工平天線安裝面及安裝孔位，整體一次加工成形，可保證安裝孔的位置精度，最終加工的天線安裝面平面度可控制在2 mm內，既保證了結構強度，又在設備總質量上體現了極大的優勢。

圖3 主框架結構示意圖

1.5 天線液冷散熱系統

圖4～圖6分別為天線液冷散熱系統組成示意圖和TR組件冷板及電源冷板結構示意圖，由圖可知，天線液冷散熱系統主要由TR組件液冷板、液冷系統管路、電源冷板水路分配器組成，冷卻液從分配器進液口進入后分4路，其中1路供給電源冷板，另3路分別供給前端3塊TR組件液冷板。

圖4 天線散熱系統組成示意圖

單塊TR組件液冷板預留進出液接口各一個，單塊TR組件液冷板貼裝16件TR組件，通過6個M8的螺釘鎖緊固定在主體框 架 內部，TR 組件可先行與冷板安裝到位，也可先將冷板安裝在框架上后，再依次安裝TR組件液冷板。

圖5 TR 組件液冷板結構安裝示意圖

單塊電源冷板主要由冷板、定位銷、松不脫螺釘、盲插接頭等組成。冷板一體加工插拔拉手槽，方便冷板的拆裝，冷板正反兩面各貼裝一個電源模塊，如圖6所示。

圖6 電源液冷板結構示意圖

1.6 天線電源機箱

電源冷板機箱采用模塊化設計，作為一個獨立的單元與框架進行安裝。如圖7所示，電源機箱采用抽拉結構，方便電源后端各模塊的維護及維修。電源機箱推入到位后后端由定位銷對準定位，前面通過松不脫螺釘與框架進行鎖緊固定。電源冷板箱體安裝到位后，將電源冷板順著箱體內側導向槽緩慢插入箱體內部，通過冷板定位銷保證盲插水接頭的盲插精確定位；插入到位后再將冷板后端松不脫螺釘與箱體進行鎖緊固定，從而保證水路的密封可靠連接。

圖7 電源機箱結構示意圖

1.7 天線底座

圖8為天線底座結構示意圖，底座材質先用優質鋁合金拼焊而成，托板與圓形連接底座間用型材焊接加強結構，保證結構強度。圓形連接底座上預留與轉臺連接安裝的孔，同時預留4個吊裝圓環，方便設備的起吊安裝；托板上預留與主體框架連接安裝的M16螺紋通孔，預留設計導流槽，設備內部流冷系統若發生滲漏現象，可以通過此導流槽排出外部。

圖8 天線底座結構示意圖

2 天線抗力學環境仿真

2.1 有限元模型及邊界條件

如圖9所示，本文基于ANSYS Workbench16.1建立了天線的有限元模型。建立該有限元模型時，對模型的倒角、圓角、凸臺及螺紋孔等細小特征簡化去除；其次，該天線框架主要為6061鋁合金型材，內部模塊均設為5A06鋁合金材料，給模型中各零件賦予相應的材料屬性，包括密度、彈性模量及泊松比等；再次，根據各零件之間的接觸、連接關系，設置好零件間相應的接觸類型，約束條件為對天線底座安裝孔進行固定約束；最后，在ANSYS Workbench中利用Meshing網絡剖分平臺對模型進行網格劃分，得到一個單元數量約為280萬的有限元模型。

圖9 天線有限元模型

如圖10所示，天線坐標系對應關系為：X軸為垂向，Y軸為橫向，Z軸為縱向。

圖10 坐標軸示意圖

2.2 天線力學環境工況

按 照GJB 150.16A振動試驗中高速公路車載運輸條件進行結構強度的驗算，表1 為該天線的隨機振動條件。

表1 天線隨機振動試驗條件

3 結果與分析

天線抗力學環境設計是為了保證天線滿足電尺寸的前提下，通過材料的選擇、調整結構安裝連接方式等一系列措施，以達到滿足設備的強度、剛度的要求，保證天線在工作期間滿足指標要求。經仿真計算，該天線的前3階基頻分別為29.336、29.416、43.566 Hz。

天線隨機振動條件下的應力及位移結果如圖11～圖16所示。表3為天線隨機振動仿真結果，由結果可知，天線在Y向（即天線橫向）的結構應力響應最小，這是由于天線為一維線陣，天線底座桁架作為天線主承力結構，在Y向結構剛性最好而在Z向和X向較為薄弱，最大響應發生在天線底座與天線框架連接桁架處，此時最大應力產生在X向（垂直于底座），其值為131.72 MPa的最大位移則發生在天線框架頂部加強筋區域，為0.879 mm。

圖11 X向隨機振動應力

圖12 X向隨機振動位移

圖13 Y向隨機振動應力

圖14 Y向隨機振動位移

圖15 Z向隨機振動應力

圖16 Z向隨機振動位移

作為岸基雷達天線，對底座的支撐剛度和強度要求較高，在設計極限載荷下的前提下，結構部件需具有一定的安全裕度，避免發生結構強度破壞，且要求設計極限載荷為鑒定載荷與安全系數( 取K=1.5) 的乘積，金屬的強度安全裕度MS≥0[6]。 安全裕度定義為

式中：MS為安全裕度；Sa材料極限強度；Se為最大應力響應。

由仿真結果可知，天線最大應力Se=131.72 MPa，可以根據公式計算結構的強度裕度：其中Sa=220 MPa；得到安全裕度為MS=0.11＞0，表明該天線結構滿足設計要求。

4 試驗驗證

目前，該天線初樣件框架已完成結構加工，天線初樣件實物圖如圖17所示。液冷散熱裝置已完成裝配，并相繼開展了天線常溫檢測、環境試驗及液冷散熱裝置高低溫工作和貯存試驗。經測量，天線框架及底座總質量約為400 kg，液冷散熱裝置總質量約為90 kg，最大可拆卸質量滿足技術指標要求。利用三坐標對天線陣面進行測量，得到平面度為1.5 mm，滿足要求。天線經模塊配重裝配后進行了力學環境試驗，試驗后天線初樣件框架無物理損傷，天線框架自身強度滿足安全裕度要求，天線基頻與支撐結構的頻率無頻率耦合現象，力學環境試驗結果進一步表明該天線結構設計具有一定的合理性。

表2 天線隨機振動仿真結果

5 結語

本文設計了一種液冷散熱有源相控陣天線，并對其結構組成進行了具體說明，然后利用ANSYS有限元軟件對其進行了力學響應分析，并根據仿真結果對天線進行了結構強度校核，后續針對天線初樣件進行了相關環境試驗，最終結果表明天線具有良好的環境適應性，結構設計合理可行，滿足指標要求。

圖17 天線初樣件實物圖