基于VTS雷達的波導裂縫天線結構方案設計

李成，丁飛

（安徽四創電子股份有限公司，合肥230088）

0 引 言

隨著港口建設的快速發展和水域交通的不斷增長，用于對水域等目標的監控管理的產品需求日益迫切，為此，國內各大中型港口的海事部門都引進了船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services，VTS)。雷達子系統作為VTS的一個重要的組成部分，是交通監視及對船舶運動等大量信息進行搜集的主要手段[1]。雷達天線作為雷達子系統的一個關鍵部分，其本身的結構精度、強度、安全性均有較高的要求；同時其應用主要面對港口環境，還需具備高抗風能力和高防護性能等特性[2]。

在雷達領域，雷達的結構設計和制造工藝是雷達研制過程中的重要環節，它對保證雷達的優良性能起著重要的作用。精巧的結構設計是雷達性能和質量的重要保證[3]。本文通過兩種波導裂縫天線結構設計方案的優化設計與工程實踐，以實現雷達天線剛度好、質量輕、結構簡潔、維護方便等目標。

1 波導裂縫天線的結構設計要求

波導裂縫天線主要包括兩大部分結構：第一部分為饋電網絡部分，其主要實現電磁波的收發功能；第二部分為天線框架部分，作為第一部分的載體，其功能為支撐第一部分并安裝與其相關的附件[4]。對于饋電網絡部分中的關鍵部分波導裂縫陣面來說，其天線陣面的平面度影響著天線的增益、副瓣、指向精度等電訊指標，是天線結構設計的主要指標，而波導裂縫本身沒有足夠的剛度，所以天線陣面的平面度主要依靠其載體天線框架的剛度來保證。同時天線應能適應各種環境條件與戰爭條件，應能防腐蝕、耐熱、耐低溫等。先進的制造工藝支撐著雷達技術的發展，是雷達技術發展的有效保證。

2 A方案整體鈑金折彎的骨架結構

2.1 結構方案介紹

該方案整體圍繞饋電網絡結構的固定與支撐進行方案設計。方案中饋電網絡包括波導裂縫、極化格柵；內骨架包括上翼板、下翼板、側翼板、支撐板；外骨架則包括天線罩、防護罩、側封板；通過外骨架和內骨架來為天線提供足夠的強度與剛度，以保證饋電網絡的安裝精度。該方案天線結構組成如圖1所示。

為滿足雷達天線輕型化要求，內骨架結構件均采用薄鋁板整體折彎結構，支撐板、上翼板、下翼板及側翼板通過鉚接方式連接與固定；其中上翼板與下翼板之間間隙構成用于固接波導裂縫和極化格柵；同時通過支撐板將內骨架固定于防護罩內部。外骨架則采用復合材料整體成型，其中天線罩為滿足一定電性能要求的半圓弧形結構的復合材料工件，防護罩為U形結構的復合材料工件；所有工件外表面均涂覆疏水性潤滑材料，以利于減少風阻和雨水造成的信號傳輸損失，保證產品全天候正常工作。該方案天線內部結構如圖2所示。

圖1 A方案天線結構組成圖

2.2 方案的結構特點

方案的特點主要體現在以下幾個方面：

1）該方案將傳統箱體的頂板、底板及防風罩設計成一體式整件結構，加強整體結構剛度的同時進一步提高了天線箱體的密封性，有效避免了外部粉塵、濕氣對內部器件的腐蝕 與 損壞；具備結構更為緊 湊 簡潔、便于安裝的特點。

圖2 A 方案天線內部結構

2）方案中上翼板與下翼板形成喇叭狀結構，該結構的兩端布置有側翼板，在進一步加強該結構剛度的同時，保證對饋電網絡發出信號的定向傳導，上翼板及下翼板配合后的窄口端一側利用設有的第一臺階夾緊和緊固饋電網絡的信號發射端，方便而實用；另一側則利用翻邊結構與相對應連接的板面進行配合，進而實現饋電網絡、各翼板及箱體的整體化固接構造。

3）方案中天線罩及防風罩均為半圓弧形結構的復合材料工件，其表面涂覆有疏水性潤滑材料，以利于減少雨水造成的信號傳輸損失和降低風阻力，保證產品全天候正常工作。

4）方案具備質量輕型化、結構簡潔且實用、便于安裝維護、制造周期與成本更低的優點，有利于批量化生產，在雷達通信技術領域內具有廣闊的應用前景。

3 B方案工字梁骨架的結構

3.1 結構方案介紹

方案中骨架截面采用工字型結構，因工字型結構抗彎性優良，剛度高，且結構簡便，安裝空間大，便于饋電網絡的安裝與維護。方案中饋電網絡包括波導裂縫、極化格柵；內骨架包括上翼板、下翼板、側翼板、支撐板及加強筋；外骨架則包括工字梁、天線罩、防護罩、側封板；其中工字梁可以采用整體成型方式制造，也可采用角鋁與薄鋁板連接而成，需依據產品的批量與成本綜合考慮，方案采用第二種方式進行介紹。內骨架、外骨架均采用鋁件鉚接結構形式，骨架內部鉚接筋板以增加其剛度，為天線提供足夠的強度與剛度，保證天線在外載荷作用下可以穩定可靠地工作。方案天線結構組成如圖3所示。

圖3 B方案天線結構組成

該方案從骨架剛度設計分析，骨架既要滿足必需的剛度和強度，以確保天線正常工作，又要保證安裝的空間能夠安裝天線，所以在剛度理論計算上，綜合了以上兩種要求，取骨架橫截面為工字型結構設計。工字梁骨架制造材料采用質輕的鋁板加減重孔的設計形式，整個結構更加牢固，既保證了強度，又保證了剛度。工字梁骨架為頂板、底板、豎板通過角鋁進行鉚接而成，并輔以加強筋以增加板面的剛度；內骨架通過極化格柵的安裝面整體安裝于豎板中間的卡槽內，并通過上、下翼板的彎角固定于加強筋上；保證了天線整體的封閉性連接，提高了饋電網絡喇叭口的剛度和強度。還有天線罩、防護罩均為滿足一定電性能要求的半圓弧形結構的復合材料工件，其工件外表面均涂覆疏水性潤滑材料，以利于減少風阻和雨水造成的信號傳輸損失，保證產品全天候正常工作。方案天線內部結構如圖4所示。

圖4 B方案天線內部結構

3.2 結構方案特點

方案的特點主要體現在以下幾個方 面：1）方案采用工字型骨架結構，很好地利用了其結構特性，即在相同截面的型材中，工字形型材的慣性矩最大，即剛度強；滿足天線骨架質量輕、剛度好等需求。2）方案在安裝結構設計上，考慮便于安裝和保證尺寸精度要求，采用一側安裝設計，有利于安裝調試，非常便利，同時對安裝精度要求較高處采用機加件來保證精度，減去了裝配中的校對調試，使結構設計精度和加工難度大大降低。3）方案具備構造緊湊、便于維護、簡便實用、制造周期短等優點，有利于批量化生產，能有效滿足雷達天線結構性能需求。

4 結 語

針對傳統的筋板框架天線箱體結構的內層支撐體系所帶來的諸如結構復雜、零部件數量較多、質量較重、制造周期長、批產效率低等缺陷，本文提出兩種結構方案對天線結構進行優化設計與工程實踐，較好地驗證了方案的可制造性、可維護性；在滿足雷達天線結構性能指標的前提下，做到了結構簡潔、零部件數量少、整體密封性好且適合批量生產、外形美觀等優點。為雷達天線結構的設計提供了新的改進思路，并為實際的工程應用提供了新的解決方案。