彈載W波段平板縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)

張盛華 王繼孔 霍龍軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著防空導(dǎo)彈引信天線的體制和形式不斷創(chuàng)新與發(fā)展，20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)了增益和效率較高、副瓣電平較低的波導(dǎo)縫隙陣列單脈沖平板天線。由于平板波導(dǎo)縫隙天線具有增益高、副瓣低、饋電簡單、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[1]，在機(jī)載、星載和彈載雷達(dá)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。而早期研究主要集中在Ka、Ku等較低頻段，近年來隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，W波段平板縫隙陣列天線已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相對Ka波段，W波段具有更短的工作波長、更寬的工作頻帶以及更強(qiáng)的抗干擾能力，可以在一定的孔徑中實(shí)現(xiàn)更窄的波束，從而使系統(tǒng)具備了更高的測角精度[3]。因此，W波段平板縫隙陣列天線已成為新一代精確制導(dǎo)彈載雷達(dá)的代表組件。

本文設(shè)計(jì)的彈載天線為W波段波導(dǎo)縫隙陣列平板天線，其口徑大，對精度的要求非常高，給制造工藝提出了更高的要求，研制費(fèi)用及成本也大大提高。因此，本文從W波段平板天線制作方案的探索、電尺寸精度的保障措施以及制造工藝幾方面開展研究，詳細(xì)給出了該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)過程，最后對天線進(jìn)行了電氣指標(biāo)的測試。

1 W波段平板縫隙陣列天線的制作方案探索

1.1 3D金屬粉末打印方案

3D 打印(3D printing)是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、塑料、沙子等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，并最終疊加成型，制備出實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)[4]，因其具有制造周期短、適合單件個(gè)性化需求、大型薄壁件制造、產(chǎn)品開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。為此，我所投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪途?，?D打印技術(shù)應(yīng)用于平板縫隙陣列天線的加工制作中，尤其是在平板天線的試制階段起到了較大的作用。圖1是用鋁合金粉末打印的一個(gè)外形尺寸為120mm×80mm×20mm的Ka頻段平板縫隙陣列天線。

圖1 3D打印Ka頻段平板縫隙陣列天線

經(jīng)測試，該3D打印Ka波段天線的電氣指標(biāo)不能滿足設(shè)計(jì)要求。將其解剖(見圖2)并檢測相關(guān)尺寸后發(fā)現(xiàn)，分析造成電氣指標(biāo)不能滿足要求的主要原因有：一是波導(dǎo)腔體尺寸精度差，超出理論電氣尺寸0.2mm；二是表面粗糙度差，Ra為12.5μm，理論要求Ra為1.6μm；三是平面度差，局部有翹曲現(xiàn)象，最大平面度為0.5mm。分析3D打印技術(shù)在Ka頻段平板縫隙陣列天線的應(yīng)用情況，可以確定以目前3D打印技術(shù)的狀態(tài)和條件，還不能滿足W波段平板縫隙陣列天線的加工制作技術(shù)要求，但可以應(yīng)用于Ka頻段以下的平板天線制作。

圖2 3D打印Ka頻段平板縫隙陣列天線解剖圖

1.2 塑料表面金屬化方案

特種高分子工程塑料和樹脂基復(fù)合材料等高性能輕質(zhì)材料，具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)異的抗腐蝕性等特點(diǎn)，逐步取代金屬材料來制作彈載雷達(dá)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能器件。但塑料及樹脂基復(fù)合材料是非導(dǎo)體，不導(dǎo)電，不能直接用作雷達(dá)天線的制備，若將其進(jìn)行表面金屬化處理，使之具有我們需要的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、釬焊等性能，這樣便可用于波導(dǎo)縫隙陣列天線的制作[5]。圖3為采用塑料表面金屬化工藝制作的Ka頻段平板縫隙陣列天線。其制作流程為：根據(jù)天線零件圖紙的要求，設(shè)計(jì)并加工合適的模具，注塑成型單個(gè)零部件，將成型后的塑料零部件表面鍍銀(見圖4)，并采用低溫焊工藝將各層零部件焊接成天線整體。

圖3 Ka頻段縫隙陣列天線注塑零件

圖4 Ka頻段縫隙陣列天線塑料表面金屬化

經(jīng)測試，該天線的電氣指標(biāo)也不能滿足設(shè)計(jì)要求，但明顯優(yōu)于3D打印的平板天線，所以該方案作為備選方案可跟進(jìn)開展進(jìn)一步的研究與改進(jìn)工作，但目前還不適用于W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線的制作。

1.3 精密加工焊接方案

由于精密加工精度高，尺寸穩(wěn)定，而且常用的螺釘連接方案簡單方便且成本低，因此Ku頻段以下的平板天線均采用該方案進(jìn)行加工制作。但由于相鄰兩陣列波導(dǎo)的中心間距為半波長，W波段平板縫隙陣列天線無布置連接螺釘?shù)奈恢茫虼?，W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線不適合采用螺釘連接方案進(jìn)行加工制作，為此我們采用相對更成熟可靠的精密加工焊接連接方案來制作該W波段平板縫隙陣列天線。

2 W波段平板縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 W波段天線的電氣結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)天線增益、副瓣電平、電壓駐波比等電氣指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)仿真計(jì)算得到W波段平板縫陣列天線的電氣模型，如圖5所示。該天線分為三層。最上面一層為縫隙輻射層，輻射單元為波導(dǎo)寬邊上所開的縫隙，這些縫隙按照一定的規(guī)則排列。輻射層上的每個(gè)縫隙輻射單元所能接收的信號能量通過中間層耦合到第三層，因此縫隙陣列天線的中間層按其所起的作用也稱之為傳導(dǎo)層。中間層與第三層屬于縫隙平板天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，在饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號的能量傳輸與分配。

圖5 W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線電氣仿真模型圖

2.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

根據(jù)天線的組成及所選制作方案，將天線的電氣模型進(jìn)行合理分層，如圖6所示，由四層平板結(jié)構(gòu)組成。第一層是輻射縫隙層，厚0.5mm，上面分布有兩千多個(gè)寬0.33mm，長約2mm的縫隙；第二層上面腔體是輻射波導(dǎo)，下面腔體是饋電波導(dǎo)，上下層之間有許多饋電縫隙，厚2.1mm； 第三層是耦合縫隙層，厚0.5mm；第四層的上面腔體是波導(dǎo)H-T功分網(wǎng)絡(luò)，背面是電氣和結(jié)構(gòu)的接口，厚度為7.8mm，天線的總厚度為10.9mm。

圖6 W波段平板縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)組成示意圖

第一層輻射板，第三層饋電板厚度均為0.5mm，只有縫隙結(jié)構(gòu)相對簡單，第二層及第四層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)以第二層波導(dǎo)陣列層為例來說明W波段平板縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如圖7所示。

波導(dǎo)陣列層是薄壁腔體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行天線波導(dǎo)壁厚設(shè)計(jì)以及加強(qiáng)筋尺寸設(shè)計(jì)與分布時(shí)，應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)和電氣的要求，同時(shí)還要考慮到重量、機(jī)加工藝和焊接工藝等諸多因素。材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、排氣孔及防錯(cuò)定位等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)主要沿用Ka波段波導(dǎo)裂縫平板天線的設(shè)計(jì)規(guī)范及要點(diǎn)。由于W波段頻率是Ka波段的3倍，波長是Ka波段的三分之一，精度要求更高，因此主要確定尺寸精度及形位公差的設(shè)計(jì)。在該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作中，要求各波導(dǎo)口徑和裂縫的尺寸精度為±0.01mm，位置精度為±0.02mm，所有波導(dǎo)腔體和裂縫的光潔度為0.8μm，各層的平面度和平行度為0.04mm，各波導(dǎo)的直線度為0.04mm。

綜合各項(xiàng)要求，通過設(shè)計(jì)計(jì)算和單個(gè)零部件的精密加工制作，最終按輻射板、陣列波導(dǎo)、饋電板、功分網(wǎng)絡(luò)一層層疊加焊接而成天線整體。為了避免加工引起的天線尺寸的變化，所有尺寸以及安裝接口都在焊接前一次加工到位。最終天線口徑為Φ150mm，總厚度為10.9mm，重量為230g。

3 W波段平板縫隙陣列天線工藝分析

由于W波段頻率更高，波長更短，對制造誤差特別敏感，對零件加工精度、焊接質(zhì)量要求更高，因此在Ka波段平板裂縫天線加工工藝的基礎(chǔ)上重點(diǎn)做了以下工作：

1)制定W波段平板裂縫天線制造工藝流程，同時(shí)確定精密加工和真空釬焊為關(guān)鍵工序，并制定相應(yīng)的關(guān)鍵工藝流程，如圖8所示。

圖8 W波段平板縫隙天線制造重點(diǎn)工藝流程

2)在W波段平板天線零件加工中需使用直徑更加細(xì)小的銑刀(￠0.3)進(jìn)行加工，刀具的轉(zhuǎn)速更高(42000r/m以上)，加工過程中同樣規(guī)格不同品質(zhì)的刀具會(huì)對加工零件的表面質(zhì)量、精度穩(wěn)定性和加工后殘留毛刺產(chǎn)生較大的影響，這些結(jié)果都會(huì)影響平板天線質(zhì)量的穩(wěn)定性，因此選取日本OSG及德國DIXI等高速銑削刀具進(jìn)行加工并確定最佳方案。

3)刀具夾緊方式一般影響其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，減少徑向、軸向刀具跳動(dòng)誤差。在微小刀具使用方面，采用熱縮刀柄夾緊方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈簧夾頭夾緊方式。

4)為了控制漏焊、焊料流入腔體、表面出現(xiàn)明顯釬料揮發(fā)殘留、縫隙陣平面度等選取非金屬石墨碳板作為焊接工裝基材。

5)通過多次試驗(yàn)，調(diào)整并優(yōu)化，使得焊接溫度曲線、真空度及濕度等各項(xiàng)焊接參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

4 測試結(jié)果

圖9為設(shè)計(jì)制作的W平板縫隙陣列天線方向圖的仿真及測試對比，測試數(shù)據(jù)分別為：天線的副瓣25dB，增益39dB，駐波小于1.8。從測試結(jié)果可知，該天線的各項(xiàng)電性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 W波段平板縫隙陣列天線仿真及測試方向圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)某彈載W波段平板縫隙陣列天線的設(shè)計(jì)要求，對該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)開展研究。為保證電氣尺寸精度及制造成本，對平板縫隙陣列天線的制造方案進(jìn)行了探索，并從滿足W波段平板縫隙天線的機(jī)械加工工藝性和焊接工藝性兩個(gè)主要方面，詳細(xì)介紹了該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)過程。最后，對該W波段波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行了電氣指標(biāo)測試，測試結(jié)果表明該天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝合理可行，滿足某彈載W波段平板縫隙天線的設(shè)計(jì)要求。