薄壁鈦合金Reggia-Spencer移相器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

陶巍巍，樓中南，陳 榮

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039;2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院， 合肥230009)

0 引言

Reggia-Spencer移相器屬于矩形波導(dǎo)互易移相器，它是一種模擬連續(xù)式移相器，也是最早用于相控陣?yán)走_(dá)的鐵氧體移相器。但由于該移相器結(jié)構(gòu)笨重，研究人員將它發(fā)展成鎖式工作形式，即在波導(dǎo)兩側(cè)分別加上一個磁軛，磁軛兩端伸入波導(dǎo)和鐵氧體方形棒組成一對并聯(lián)閉合磁路，激勵線圈加在磁軛上以實現(xiàn)鎖式控制。同時，這種移相器還把各種陶瓷片貼在鐵氧體棒和波導(dǎo)寬邊上，調(diào)節(jié)陶瓷片的厚度，以便把高次模移出工作頻率之外［1］。這種移相器要想在機(jī)載相控陣天線上得到大量應(yīng)用，必須要做到小型輕巧［2-3］，這就要求移相器在材料選擇和結(jié)構(gòu)形式方面有所創(chuàng)新。本文針對此設(shè)計要求，介紹了一種嶄新的移相器結(jié)構(gòu)設(shè)計思路與方法。

1 材料選擇

美國在1948年就開始規(guī)模化生產(chǎn)金屬鈦作為工業(yè)用金屬材料。如表1所示［4］，在密度方面，純鈦比鋁合金稍大，大約是鋼的60%，銅的一半;在線［膨］脹系數(shù)方面，純鈦約為不銹鋼的一半，是鋁合金的1/3，溫度變化對其尺寸及形狀的影響較小;在電導(dǎo)率方面，純鈦的電阻率比銅高出近30倍，與其他金屬相比，它和不銹鋼同列，導(dǎo)電不利;在縱彈性模量方面，純鈦為鋼鐵材料的一半，易于撓曲。純鈦除了這些代表性的物理特性之外，還具有非磁性等特征［4］，這些特征對鐵氧體磁性器件而言，都是較為有利的。

在工程應(yīng)用中，純鈦為改善強(qiáng)度及加工性而添加合金元素生成鈦合金，這些合金根據(jù)其結(jié)晶組織分為:(1)α合金;(2)α-β合金;(3)β合金。以Al作為合金元素，它具備焊接性、延展性優(yōu)越的高溫特性，而且在極低的溫度中也能呈現(xiàn)高度的延展性和韌性［4］。Ti-6Al-4V是一種α-β合金，這種合金占有鈦合金需要量的70%，它具備了延展性和韌性及高強(qiáng)度化，其加工性、焊接性都很好，因此在飛行器中廣泛應(yīng)用，特別在機(jī)身部分Ti-6Al-4V使用率最高，占所用鈦合金總量的80%以上，所以我們將此種材料作為實現(xiàn)鈦合金Reggia-Spencer移相器的首選。

2 結(jié)構(gòu)形式

在矩形波導(dǎo)中放置軸向磁化鐵氧體棒，Reggia-Spencer移相器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵氧體的軸與波導(dǎo)軸是平行的，鐵氧體棒可以是方形，也可以是圓形，波導(dǎo)外層繞上磁化線圈用以控制相移。

表1 通用金屬的物理特性

圖1 Reggia-Spencer移相器結(jié)構(gòu)

2.1 鈦合金與鋁合金合成式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

鈦合金由于其電導(dǎo)率低，在電性能方面，采用部分外磁化形式的波導(dǎo)移相器，相比鋁合金減小了短匝效應(yīng)的渦流損耗，使中間的鐵氧體芯得到最大程度的磁化，產(chǎn)生相應(yīng)的相移［5］。為了減少移相器的損耗，防止微波功率泄露［6］，波導(dǎo)內(nèi)壁需要有良好的傳輸環(huán)境，考慮到結(jié)構(gòu)加工及移相器裝配的可實現(xiàn)性，初期設(shè)計將移相器的匹配段與移相段波導(dǎo)寬邊集成整體，采用鋁合金材料與法蘭一起整體加工，激勵線圈對應(yīng)的波導(dǎo)窄邊采用鈦合金材料，裝配完成的移相器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋁合金與鈦合金合成波導(dǎo)式Reggia-Spencer移相器

這種結(jié)構(gòu)形式，便于實現(xiàn)，易于裝配，但器件的強(qiáng)度要求得不到有效的保證，波導(dǎo)寬邊由于沒有窄邊的支撐，極易受力變形，如圖3所示;而且器件工作發(fā)熱時，鋁的線［膨］脹系數(shù)是鈦的3倍，膠接在波導(dǎo)內(nèi)壁的陶瓷片容易損壞。另外，受天線陣面的限制，法蘭厚度比較薄，安裝孔尺寸比較小，在環(huán)境試驗震動過程中，器件容易被破壞，所以這種結(jié)構(gòu)形式可靠性低，強(qiáng)度不能滿足產(chǎn)品要求，從材料選擇與結(jié)構(gòu)形式上均需要改進(jìn)。

圖3 鋁合金波導(dǎo)受力波形

2.2 全鈦合金薄壁式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

從材料上，移相器波導(dǎo)寬邊和窄邊均采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高又耐腐蝕的鈦合金材質(zhì)。因短匝效應(yīng)的渦流損耗，移相段波導(dǎo)窄邊使用0.1 mm厚的鈦合金薄片，寬邊出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，壁厚要有所增加，但增加壁厚的同時，渦流損耗和重量也相應(yīng)的增加，因此采用0.3 mm～0.4mm厚的鈦合金薄板，法蘭、匹配段、移相段一次性折彎成形，再通過拼焊的方式，形成一個整的器件結(jié)構(gòu)。從結(jié)合強(qiáng)度、耐熱性、持久性(耐用性)、氣密性(密封性)及設(shè)備的廣泛性來看，以熔融焊接的可靠性最高，其次為釬焊。電阻焊是熔融焊的一種，在薄板焊接中廣泛應(yīng)用，它是將兩張薄板重疊起來，從上下兩個方面使其緊貼，在重疊部分形成焊點，發(fā)生熔融而結(jié)合。

這種薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)形式，首先，需要高精度多工位步進(jìn)模來保證折彎件的尺寸精度;其次，需要合適的焊接工裝來保證拼焊而成的波導(dǎo)尺寸。匹配段、移相段與法蘭寬邊形成骨架，一體成型，寬邊翻邊與貫穿三段波導(dǎo)的窄邊鈦合金薄板焊接成型。另外，在波導(dǎo)兩端薄壁法蘭翻邊處各焊接了4塊厚1 mm的鈦合金板形成法蘭盤，同時，對整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也起到了加強(qiáng)筋的作用，波導(dǎo)成型如圖4所示。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式，受力不易發(fā)生變形，且不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，法蘭連接強(qiáng)度能夠滿足環(huán)境試驗要求。此外，鈦合金材料類似玻璃、混凝土，在移相器工作溫度范圍內(nèi)，受熱基本不膨脹，膠接在移相段波導(dǎo)寬邊上的陶瓷材料不會受力破裂，產(chǎn)品可靠性大大提高。

圖4 薄壁鈦合金焊接成型波導(dǎo)

薄壁鈦合金波導(dǎo)式移相器，因其波導(dǎo)焊接而成，無法拆卸，組成并聯(lián)閉合磁路的鐵氧體無法直接放入波導(dǎo)腔內(nèi)，就好比家具太大，而房門太小，想把家具搬進(jìn)去，只能拆開來，等所有部分都搬進(jìn)去后再組裝，這需要設(shè)計專門的工裝在波導(dǎo)腔內(nèi)完成裝配，如圖5所示。

圖5 “工”字型鐵氧體在波導(dǎo)內(nèi)裝配

質(zhì)量上，全鈦合金薄壁式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比采用鋁合金與鈦合金合成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，每個移相器可以減輕1 g，而整個陣面由上千個移相器單元組成，對機(jī)載雷達(dá)天線陣面而言，減輕的重量就很可觀，在實現(xiàn)小型輕巧目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，所以可以確定此種結(jié)構(gòu)形式達(dá)到了目前的優(yōu)化設(shè)計。

3 結(jié)束語

針對一種機(jī)載移相器的設(shè)計，薄壁鈦合金波導(dǎo)式Reggia-Spencer移相器解決其材料選擇、結(jié)構(gòu)形式的問題，實現(xiàn)小型輕巧的要求，且保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和產(chǎn)品可靠性，加上配套工裝的設(shè)計，可以滿足產(chǎn)品批產(chǎn)需求。其他波導(dǎo)式移相器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可考慮采用此種設(shè)計思路。

［1］ 張德斌，周志鵬，朱兆麒.雷達(dá)饋線技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.Zhang Debin，Zhou Zhipeng，Zhu Zhaoqi.Radar feeder technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［2］ 蔣微波，蔣仁培.微波鐵氧體器件在雷達(dá)和電子系統(tǒng)中的應(yīng)用、研究與發(fā)展(上)［J］. 現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(9):5-13.Jiang Weibo，Jiang Renpei.Application，research and development of microwave ferrite device in radar and electronics systems［J］.Modern Radar，2009，31(9):5-13.

［3］ 蔣微波，蔣仁培.微波鐵氧體器件在雷達(dá)和電子系統(tǒng)中的應(yīng)用、研究與發(fā)展(下)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(10):1-9.Jiang Weibo，Jiang Renpei.Application，research and development of microwave ferrite device in radar and electronics systems［J］.Modern Radar，2009，31(10):1-9.

［4］ 周連在.鈦材料及其應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008.Zhou Lianzai.Titanium material and application［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2008.

［5］ Hord W E.Microwave and millimeter-wave ferrite phase shifters［J］.Microwave Journal，1989，32(4):81-94.

［6］ 魏克珠，蔣仁培，李士根.微波鐵氧體新技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.Wei Kezhu，Jiang Renpei，Li Shigen.New technique of microwave ferrite and application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2012.