某新型车载相控阵天线结构设计

施吉刚

(中国电子科技集团第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

某新型车载相控阵天线是采用两面背置的相控阵天线阵面来实现。其主要是由众多排列有序的辐射元及其复杂的馈电系统和支持结构紧密的融为一体的，该相控阵天线装载于汽车方舱顶部，兼顾装机尺寸、空间的限制，除满足车载运输基本条件外，还应能满足经受32 m/s的风速不破坏。

该相控阵天线结构设计具有以下特点:

1)根据其工作环境要求，考虑相控阵天线结构与配装平台的适应性和可维修性问题，科学合理地进行单元划分，总体布局和接口设置。

2)设备自重大，为保证可靠性，天线承载的主框架要有较大的承载能力和良好的力学性能。

3)发射组件及电源模块功率高，发热量大，为保证天线正常工作，整机必须有合理的结构设计且有良好地通风散热措施。

下面着重介绍对某新型车载相控阵天线总体结构设计、主要部件设计。

1 结构总体设计

1.1 系统组成与设备布局

车载相控阵天线主要是由天线阵面、发射组件、供电模块、馈电网络等分系统以及主框架等组成，分系统之间通过电缆相互连接而成的。在两面天线阵面之间将留有一定间距，从而形成部件仓和强制风冷风道的空间。部件仓中将固定发射机、馈电网络、电源等［1］。各组件结构布局如图1所示。

图1 结构布局Fig.1 Structural layout

1.2 外形尺寸

车载相控阵天线的结构形式和尺寸受到辐射元排布方式和间距、内部电子设备安装、大量电缆走线及装运界限等因素的制约。天线外形尺寸如图2所示。

图2 外形尺寸Fig.2 Physical dimension

1.3 操作与维修

相控阵天线内设备密集，接口复杂，厚度空间狭小，为便于操作和维修，根据功能、性能指标，合理划分五大块独立的单元模块，各个独立模块可以单独取出操作维修。天线阵面提供单独的旋转铰链，加大操作空间和维修通道，便于维护。为方便发射组件和馈电网络的维修，发射组件架和馈电网络安装架可以方便的拆卸维修。

2 主框架的结构设计

相控阵天线基本结构由阵面骨架和中央主框架两部分结合组成，前者为平面桁架结构，后者为封闭结构，内部安装馈电系统等，外部作为阵面的支撑体、保证阵面平面度。主框架是一个具有承上启下作用的系统，它安装在和固定天线阵面的同时又能将阵面负载传递至装载平台。图3是中央主框架的外形图，框架中部放置发射机、馈电网络等，两侧承载天线阵面。

图3 主框架Fig.3 Main frame

2.1 结构形式选择

从受力合理性考虑和受高度尺寸的制约，主框架采用桁架结构形式。采用主框架采用角铝焊接结构，设计计算简单，加工装配方便。中央主框架是由2个基本一致的框架单元拼装而成。每个框架单元主要是由40×40×4的角铝焊接而成。2组上下内横梁组成的内框架用以承载发射机、馈电网络单元等，2组上下外横梁组成的框架用以承载天线阵面，如图6所示。为保证天线阵面安装后具有一定角度，上下外横梁是用3 mm厚的铝板分别折弯成95°和85°的2组结构件。

图4 框架组成Fig.4 Components

2.2 焊接设计

选择焊接作为连接手段，与其他连接方法相比，具有能够很好地承受各向载荷，能够适应不同形状、不同材料结构的要求，材料的利用率高，接头所占空间小等优点，但焊接接头存在力学性能不均匀，应力分布不均匀和焊接接头存在变形等缺点。选择合理的焊接接头形式和焊接顺序，对控制焊接变形，消除应力和保证尺寸精度至关重要。

为保证刚强度，主框架的构件主要依靠焊接连接成整体，先焊成片桁架，再装配焊接成空间桁架。采用空间定位的装配焊接夹具，选择合理的焊接规范和焊接顺序，采取反变形法等工艺措施，达到控制焊接变形，消除应力和保证尺寸精度。

外框架各焊接接头为工作接头，焊缝一旦断裂，结构就会失效，因而此接头设计为受力好、强度大、应力集中最小的对接接头，对接接头还易于降低和去除应力集中和应力变形［2］。

对于立柱、支撑件等结构件的焊接接头，基本为联系焊缝，焊缝传递较小的部分载荷，设计采用了联合角焊焊缝接头，即既有侧面角角焊缝又有正面角焊缝的搭接接头，与仅有侧面角焊缝的搭接接头相比，增添正面角焊缝可以改善应力分布，同时可以缩短搭接长度。

为了减轻天线系统的重量，主要选用了雷达天线常用的工程材料——铝合金，这样既能满足足够的刚、强度，也有好的结构工艺性。主框架材料的选择牌号为6063T6(密度小、强度高、焊接性能好)的40×40×4角铝，天线反射面等其他结构件采用牌号为2A12的铝板。图5是焊接设计示意图。

图5 焊接示意图Fig.5Welding schematic diagram

2.3 负载与刚强度设计分析

主框架除承受环境负载之外还承受着大量相关电子设备附着质量的作用，刚强度设计面临巨大压力。正常工作时整个天线在装载平台顶部，处于抗风状态，考虑安全性，以12级抗风状态进行安全设计分析。主框架的载荷主要风载荷和自重载荷。在实际情况下，风载荷是动载荷，为计算方便，取其最大值，按静载荷处理。作用于天线上的风载荷，可以用以下公式表示:风力:F=CFqA［3］。

上式中，CF——风力系数;q——动压头(N/m2)，q=0.613v2;A——天线的特征面积;风力系数查表取1.6，风速取32 m/s。天线上的迎风面积按最不利迎风方位计算并垂直于风向平面上的投影面积。迎风面积为:A=ψA1。式中，天线的外轮廓面积 m2，如图 2 所示，则 A1=0.74×2.25=1.67 m2。

根据对天线的力学分析，风作用于天线时，仅风阻力和倾覆力矩起作用。根据计算结果，校核12级风时的主框架及安装在装载平台上的螺栓。框架受力仿真分析使用有限元分析软件ANSY做出。图6是天线加载自重载荷和风载荷的预估受力分析图。

图6 框架单元加载受力Fig.6 Frame element stress loading

图7是加载自重载荷和风载荷的框架刚度有限元分析预估图，最大变形量为0.57mm，满足使用要求。

图7 框架刚度分析Fig.7 Stiffness analysis of framework

图8分别是一阶至四阶模态框架振型和固有频率预估图。

一阶固有频率为4.48 Hz，二阶固有频率为 4.75 Hz，三阶固有频率为 6.46 Hz。

图8 框架一至四阶振型与固有频率Fig.8 Vibrationmode and natural frequency of frame from 1－4 order

3 天线阵面设计

天线阵面属于平面桁架结构，长度及宽度远大于厚度，方案中采取措施最大限度增强平面刚度，满足阵面精度要求。单面天线阵面是由若干个天线单元排成阵列而组成，其结构形式上分成两面对称的子阵面，图9是子阵面的外形图。

图9 子阵面的外形Fig.9 Shape of sub－array surface

天线反射面板是相控阵天线安装支撑辐射元等单元组件的主要载体，并保证负载作用下正面的精度，重点考虑提高天线反射面板结构抵御扭转变形能力。在阵面骨架中设计中，利用纵、横加强梁之间的刚性交汇，呈井格式排列，提高反射面板的刚强度，同时多组功分器也在纵向加强了面板刚度，如图10所示。

图10 加强梁的分布Fig.10 Distribution of strengthened beam

天线阵面的加强筋采用装配夹具进行定位与夹紧，保证准确的尺寸和形状后再铆接，铆接工艺具有构件的残余应力小和形面的加工精度高的优点。天线阵面要求的定位、安装基准孔，安排在铆接后加工。

4 热设计

新型车载相控阵天线的发热模块主要集中在发射组件及电源。热设计的重点在于保证发射组件工作在适当的温度范围内，并尽可能保证各组件工作温度一致性。

通过仿真分析得知:发射组件及电源仅靠自然散热不可能满足其工作要求，须采取强迫风冷来强化散热。根据天线结构特点和装载要求，发射组件及电源中的发热模块的热量，传递到冷板和齿状散热器上，再通过风机将散热器上的热量向上散出，如图11所示。

图11 散热风道Fig.10 Cooling air duct

5 结语

某新型车载相控阵天线结构设计的关键是协调处理好各个电子单元之间的接口关系，将各种相关的因素综合考虑，合理布局，才能满足相控阵天线的装载及工作状态要求。特别需要强调的，某新型车载相控阵天线主框架的设计对控制整个产品的重量以及保证天线精度至关重要;对产品散热设计，特别是发射组件及电源模块热处理，直接影响整机的性能。该新型车载相控阵天线已经达到了实际应用状态，在应用中满足设计要求。相比其他类似设备具有布局科学实用、结构紧凑简单，安全性可靠性高，操作方便等特点。

［1］ 邱成悌，蒋全兴.电子设备结构设计原理［M］.南京:东南大学出版社，2002.QIU Cheng－ti，JIANG Quan－xing.Design Principle of Electronic Equipment Structure［M］.Nanjing:Southeast University Press，2002.

［2］ 周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接［M］.北京:机械工业出版社，2006.ZHOU Wan－sheng，YAO Jun－shan.Welding of Aluminum and Aluminum Alloy［M］.Beijing:China Machine Press，2006.

［3］ 成大先.机械设计手册 第五卷［M］.北京:化学工业出版社，2002.CHENG Da－xian.Mechanical Design Manual，Volume 5［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2002.