毫米波Rotman 透鏡天線制造技術

劉秀利

（中國電子科技集團公司 第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

多波束天線和相控陣天線均可實現二維電掃描，與相控陣天線相比，采用電子開關切換的多波束天線實現二維電掃描更加經濟，是低成本二維相控陣雷達的較好選擇。Rotman 透鏡天線就是一種多波束天線，其本質上是具有多個輸入口和多個輸出口的微波饋線網絡，其中每個波束端口對應一個波束指向，若干交叉的波束即能覆蓋一定角度范圍的空域，在毫米波雷達和電子戰設備中應用廣泛[1～3]。

Rotman 透鏡天線主要由波束口、透鏡腔、陣列口、移相傳輸線以及輻射單元組成，結構復雜的波導等組成要素的形狀、位置、表面精度以及一致性是保證波束指向和插損等技術指標的關鍵；同時，在二維相控陣雷達中，需要多個透鏡天線進行組裝以形成天線面陣，因此天線的精密制造和組陣裝配是保障雷達性能指標的重要因素。在毫米波頻段，因受體積、重量、陣元間距、陣元個數、工作頻率等戰技術指標需求影響，波導型Rotman 透鏡天線更加小型化和集成化，波導腔多、板壁薄、波導腔面積比大、精度要求高，為天線制造及組陣裝配帶來較大難度，需要詳細的工藝設計和嚴格的過程控制。

1 工藝性分析

某毫米波二維相控陣雷達天線系統采用波導型Rotman 透鏡天線組陣實現，天線陣元外形尺寸（300×370×5）mm， 為鋁合金焊接結構，天線內部結構如圖1所示。

圖1 Rotman 透鏡天線內部結構Fig.1 The internal structure of the Rotman lens antenna

天線具有結構復雜、精度高、剛性差極易產生變形的特點。首先天線工作于毫米波頻段，內部密布波導腔，波導腔與波導腔之間壁厚均小于2mm，其中輻射口處脊寬及底厚最窄處不足1mm，波導腔內又分布若干獨立的、不等高的微小凸臺，所有內部尺寸及形位精度普遍要求±0.02mm，表面粗糙度Ra1.6μm，天線加工及組焊難度大；其次天線為大面積空腔薄板結構，約70%的材料被切除，且結構不對稱，特別是底部呈開放狀，其加工和焊接過程均極易發生形變，難以滿足后續天線面陣組裝要求，嚴重影響影響天線性能指標。

通常情況下，采用線陣天線單元進行組陣，線陣天線單元壁厚僅0.5mm，零件剛性差、焊接變形大，既為薄壁陣元腔體和薄壁封裝蓋板的精密加工帶來了困難，又對天線單元精密焊接帶來了嚴重挑戰。由于天線系統是由線陣天線單元陣列組裝形成面陣，因此將適度數量線陣單元組合為面陣天線單元進行制造，顯著優化了天線工藝性。不僅加工零件數量減半，而且相鄰兩線陣天線單元間壁厚至少是線陣單元壁厚的兩倍，達1mm 以上，零件剛性顯著增強，抗加工變形和焊接變形能力顯著提高，天線成品率和生產效率將會顯著提高。

2 工藝設計

Rotman 透鏡天線是雷達射頻前端的關鍵部件，天線內部結構的形狀、位置、尺寸及表面精度是電訊設計要求的重點，因零件層壁薄、空腔面積大，零件加工困難而焊接成品率低，經過反復摸索及實驗驗證，制定了以高速銑、真空釬焊、工件精密裝夾、組件精密組裝等主要技術實現天線精度及變形控制的工藝方案。

在工藝流程上，分為粗加工和精加工完成天線制造。粗加工厚度兩面，采用多次翻面加工表面厚度的方法減少切削變形，并輔以人工時效釋放工件應力，再行天線精密切削加工及焊接。為進一步提高工件剛性，減小工件銑削時的應力變形，設計工藝邊框將工件周邊整體包圍，變開放式薄底結構為封閉式薄底結構；為控制切削變形，采用高速銑結合微變形裝夾手段；為保證天線方位和俯仰方向的裝配精度，在一次裝夾同一基準下，完成腔體、焊接定位銷孔、側面接口定位銷孔的加工，并采用精密線切割成組切除工藝邊框；為控制焊接變形，設計制造專用工裝，保證內腔填充張緊和自適應平面壓夾。天線制造工藝流程見圖2。

圖2 Rotman 透鏡天線工藝流程Fig.2 The manufacturing process of the Rotman lens antenna

3 關鍵工藝

精密加工技術和精密焊接技術是實現Rotman 透鏡天線的關鍵工藝，是影響天線性能指標的重要環節。

3.1 精密加工技術

透鏡天線具有多腔、薄壁、薄底、高精度特點，不僅需要先進的精密加工設備，還需要系統的數控工藝設計以及可靠的裝夾技術，才能達到設計要求的加工質量。

（1）數控加工工藝。高速銑具備切削效率高、切削力小、熱變形小、表面加工質量高等特點[4]，非常適合Rotman 透鏡天線這類精度高而剛性差的薄壁零件。由此，選用高速銑削加工中心、HSK 刀具系統以及硬質合金整體立銑刀進行天線陣元精密加工。

在工序設置上，先加工工件表面，再加工定位銷孔，最后加工波導腔等特征要素；先用大直徑立銑刀粗加工波導腔，去除波導腔內絕大部分材料，為精加工預留0.05mm 余量，再用小直徑立銑刀精加工至最終尺寸。

在數控加工程序編制上，為實現精密加工要求，工件表面（特別是轉角側壁表面）無振紋的良好加工質量目標，對數控加工程序進行合理設置和優化。為保持機床切削連續性、保證零件精度，采用了圓弧進退刀；為保證切削應力均勻釋放，對波導腔采用了對稱加工并采取層優先的切削策略；為提高表面切削質量，延長刀具壽命，采用了順序銑；為保證波導腔轉角無振紋，采用了對轉角增加速率補償、增加圓弧路徑等措施；在切削參數設置上，應用了小切深、快走刀原則，將切深控制在10%刀徑以下，每齒進刀量不超過0.05mm，保證加工精度；生成的路徑及NC 代碼經仿真傳至機床上進行試切加工，準確無誤后再行加工天線零件。

（2）裝夾定位技術。由于天線零件外形大而薄，底厚只有1mm，用通用壓持方法會導致銑削過程中工件特別是透鏡腔區域發生振顫及變形，從而損失天線精度，難以達到設計要求。利用天線底面實心狀態，利于負壓吸附原理，采用真空吸附夾具裝夾工件。將工件吸附于特制吸盤臺面上，保證工件區域都能始終與臺面緊密貼合，防止天線加工過程中發生變形，有效保證天線尺寸精度和表面質量，同時避免了加工過程中夾具與刀具干涉問題。

在定位基準上，由于增加了工藝邊框，為了與設計基準保持一致，并為后續去除工藝邊框提供統一基準，工件裝夾好后精加工定位兩直邊，再在特定位置銑削基準圓孔，形成一孔兩邊統一基準。

在高速銑削數控設備、數控加工技術以及精密裝夾技術等工藝措施保證下，天線透鏡腔及網絡饋線、輻射口等要素尺寸、位置、形狀精度均得到了良好保證，為天線性能和組裝焊接奠定了基礎，圖3為精密加工完成后的天線工件數碼照片。

3.2 精密焊接技術

圖3 Rotman 透鏡天線工件數碼照片Fig.3 The workpiece photo of the Rotman lens antenna

圖4 焊接夾具插芯結構模型Fig.4 The structure model of the welding clamp ferrule

Rotman 透鏡天線工藝設計為平板封裝結構形式，內部結構復雜、精密、清洗困難，因此，選用真空鋁釬焊技術實現面陣天線單元的精密焊接。

（1）焊接組裝技術。雷達天線系統由多個Rotman透鏡天線單元組裝而成面陣。為了實現每組天線的順利組裝，保證天線單元陣面排列精度，以天線輻射單元為基準加工定位銷孔及基準邊，實現基準的精確傳遞。在焊接組裝時則采取一面雙銷的定位方法進行組裝，既保證天線輻射單元相對位置，又保證焊接中不發生相對位移。

在天線單元組件的裝夾上，考慮到釬焊最高溫度下母材強度急劇下降、存在塌陷變形的風險，設計制造專用工裝，通過插芯對透鏡天線內部空腔充實脹緊，通過彈性壓夾機構保證天線封裝面精密接觸、釬料充分填充焊合面間隙以及天線焊后平面度。插芯為組合式結構（圖4），焊接前裝入芯子，焊接后抽取左邊芯子，再抽取右邊芯子，有效減少零件焊接塌陷變形。

（2）真空釬焊工藝。真空釬焊料的精密成型和組裝定位是實現天線單元精密焊接的關鍵。依據焊合面形狀將箔狀釬料切割成型，再將成型焊料箔點焊固定于工件上，接著通過“一面雙銷”定位完成陣面天線單元的焊接組裝，最后完成焊接工裝裝夾，放入真空爐進行焊接。

焊接過程控制是實現天線單元精密焊接的重要環節。首先，工件良好的表面處理是保證釬焊成功的前提，鋁對氧的親和力極大，表面極易生成一層致密的、穩定的、熔點很高的氧化鋁膜，室溫下氧化膜為5nm，在500～600℃下膜厚劇增至100nm～200nm，而成為釬焊的主要障礙[5]。適度的酸洗可有效去除工件表面的油脂、有機物、特別是氧化膜，滿足釬焊要求。值得注意的是，經過酸洗的工件應在短時間內完成釬焊，以減少工件被再次污染和氧化的可能，有利于保證釬焊質量。其次，需根據工件及夾具材料、形狀、大小設置合理的熱循環參數。最后，需嚴格控制焊接區溫度，保證釬料充分熔化而母材不熔化，獲得良好的焊接質量。

4 結束語

Rotman 透鏡天線設計要素多、精度要求高，本質上為空腔薄壁結構件，零件精密加工和組件精密焊接是保證產品質量的關鍵制造環節，但首先需要從工藝性出發，電路、結構及工藝進行協同設計和優化，再對關鍵制造過程進行重點控制。Rotman 透鏡天線的研制，歷經了優化設計、工藝試驗、測試驗證、組裝應用等不斷優化的過程，獲得了穩定的加工質量，制造完成的Rotman 透鏡天線波束指向和插損等關鍵指標一致性好，實現了天線的高戰技術要求。

[1]石星.毫米波相控陣雷達及其應用發展[J].電訊技術，2008，1.

[2]楊勝華，彭祥龍，李一民.一種毫米波二維電掃有源相控陣雷達[J].電訊技術，2012，5.

[3]陳春紅.毫米波Rotman 透鏡天線設計[J].電子工程師，2006，11.

[4]艾興，等.高速切削加工技術[M].北京：國防工藝出版社，2003.

[5]張學軍.航空釬焊技術[M].北京：航空工業出版社，2008.