一體化波導陣面天線的分層結構設計

安徽四創電子股份有限公司 合肥 230088

1 設計背景

隨著雷達向小型化及集成化方向發展,天線結構的設計要求越來越高。在一些新設計的相控陣雷達中,大量采用集成化技術,通過集成多種功能的結構來獲得高增益、高可靠性。這種高度集成化的天線性能優良，結構緊湊，體積小，質量輕[1]。

對陣面天線進行集成化設計，通常先將多個波導單元有機集合在一起,然后將功分網絡和波導集成在一起,使功分網絡與波導成為一體化結構,形成一體化波導陣面天線。這種將多個波導單元和功分網絡有機集成在一起的結構,對提升天線的整體性能效果顯著。但是,當功分網絡與波導集成在一起時,功分網絡與波導結構疊加,會使一體化波導陣面天線的內部結構更為復雜,給設計和加工制造增大難度,生產成本難以控制。為有效控制成本,在保證一體化波導陣面天線各項性能指標不下降的前提下,應用可制造性的設計理念,結合分層設計方法,對一體化波導陣面天線進行了分層結構設計。

2 結構分析與規劃

一體化波導陣面天線的分層結構設計以天線原理模型為基礎,應用Creo三維設計軟件強大的建模能力和靈活的剖面可視化功能[2],建立三維數字化模型。為確保所構建的一體化波導陣面天線數字化模型準確可靠,提高設計效率,在工程設計前,先對天線的結構進行全面分析,并根據結構特點,進行科學合理的結構設計規劃[3]。

一體化波導陣面天線由16×24個工作單元陣列構成。每個獨立工作單元對應一個功分網絡、一個裂縫波導和16個四脊方波導的組合體。功分網絡的腔體為一分六的功分結構。裂縫波導由三段分隔腔體構成,輸出側開有數行直縫,直縫連通四脊方波導。四脊方波導口就是一體化波導陣面天線的表面。整個一體化波導陣面天線的外觀如圖1所示。

▲圖1 一體化波導陣面天線外觀

通過對一體化波導陣面天線的結構進行分析,發現一體化波導陣面天線的每個工作單元結構相同,只需針對一個工作單元的結構進行研究,就能夠掌握整個一體化波導陣面天線的結構[4-5]。因此,首先應用Creo軟件建立工作單元數字模型,然后應用軟件陣列功能構建完整的一體化波導陣面天線工作單元模型。一體化波導陣面天線工作單元模型結構如圖2所示。

▲圖2 一體化波導陣面天線工作單元模型結構

圖2清晰展現了一體化波導陣面天線的功分網絡內部腔體結構,以及腔體斜面和臺階等特殊結構，這些特殊結構是影響一體化波導陣面天線分層結構設計和加工制造的重要因素[6]。

3 分層結構設計

通過對一體化波導陣面天線數字化模型進行測量,得到工作單元間距為25.78 mm,腔體寬為22.78 mm,腔體壁厚為1.5 mm。腔體具有尺寸小、精度高的特點,但加工困難。處于天線內部的功分網絡和裂縫波導結構復雜,采用通常的方法難以加工。設計分層結構時，要充分考慮一體化波導陣面天線中功分網絡和裂縫波導的結構特征,將難以加工的內部腔體變為容易加工的敞開式結構。通過若干分割面,將一體化結構分割為幾個獨立的零件,分割出的零件，其結構都為敞開式,使加工變得容易[7]。敞開式零件結構如圖3所示。

▲圖3 敞開式零件結構

確定分割面位置是分層結構設計的關鍵。借助Creo三維設計軟件的可視化功能,以圖4所示一體化波導陣面剖視圖為參照,作平行于陣面表面的不同分割面,得到的分割面結構所在的零件需滿足可制造性要求[8]。結合圖5所示一體化波導陣面天線分層圖,查找最有利于將天線內部腔體變為敞開式結構的分割面,將特殊結構點所處的平面作為重點分割面。在確定好重點分割面后,分層結構設計的主要分割界面就可以基本確定,然后根據需要設定其它分割面。經過優化,最終確定四個分割面,即將一體化波導陣面天線分割為五個獨立零件。這種分層結構設計滿足可制造性要求,可以兼顧一體化波導陣面天線所需要的尺寸精度要求,加工的零件數量最少,是比較科學合理的。

▲圖4 一體化波導陣面天線剖視圖▲圖5 一體化波導陣面天線分層圖

通過分層結構設計，各零件結構都為敞開式,非常有利于加工制造,成本也能夠有效控制。零件經過精加工后,通過真空釬焊一次焊接成形，重新組成完整的一體化波導陣面天線[9]。采用由整體到零件的分層結構設計方法，大幅降低了制造難度,確保了結構建模的準確性,改善了零件的可制造性[10],設計效率大為提高,零件加工精度得到保證。經過測試，一體化波導陣面天線的性能完全滿足指標要求。

4 結束語

多空間結構零件的設計加工一般采用模型鑄造、熔模鑄造或三維打印等,對表面粗糙度和尺寸精度要求比較嚴格的零件,常規加工方法無法滿足要求。采用分層結構設計方法,應用Creo三維設計軟件進行建模,以可制造性為設計理念,能夠實現一般條件下難以完成的復雜空間結構零件的加工,大幅降低加工制造成本。筆者進行了一體化波導陣面天線的分層結構設計，可以解決空間結構零件加工難的問題,有助于一體化波導陣面天線結構設計和可制造性技術的進一步發展。