基于VTS雷达的波导裂缝天线结构方案设计

李成，丁飞

（安徽四创电子股份有限公司，合肥230088）

0 引 言

随着港口建设的快速发展和水域交通的不断增长，用于对水域等目标的监控管理的产品需求日益迫切，为此，国内各大中型港口的海事部门都引进了船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services，VTS)。雷达子系统作为VTS的一个重要的组成部分，是交通监视及对船舶运动等大量信息进行搜集的主要手段[1]。雷达天线作为雷达子系统的一个关键部分，其本身的结构精度、强度、安全性均有较高的要求；同时其应用主要面对港口环境，还需具备高抗风能力和高防护性能等特性[2]。

在雷达领域，雷达的结构设计和制造工艺是雷达研制过程中的重要环节，它对保证雷达的优良性能起着重要的作用。精巧的结构设计是雷达性能和质量的重要保证[3]。本文通过两种波导裂缝天线结构设计方案的优化设计与工程实践，以实现雷达天线刚度好、质量轻、结构简洁、维护方便等目标。

1 波导裂缝天线的结构设计要求

波导裂缝天线主要包括两大部分结构：第一部分为馈电网络部分，其主要实现电磁波的收发功能；第二部分为天线框架部分，作为第一部分的载体，其功能为支撑第一部分并安装与其相关的附件[4]。对于馈电网络部分中的关键部分波导裂缝阵面来说，其天线阵面的平面度影响着天线的增益、副瓣、指向精度等电讯指标，是天线结构设计的主要指标，而波导裂缝本身没有足够的刚度，所以天线阵面的平面度主要依靠其载体天线框架的刚度来保证。同时天线应能适应各种环境条件与战争条件，应能防腐蚀、耐热、耐低温等。先进的制造工艺支撑着雷达技术的发展，是雷达技术发展的有效保证。

2 A方案整体钣金折弯的骨架结构

2.1 结构方案介绍

该方案整体围绕馈电网络结构的固定与支撑进行方案设计。方案中馈电网络包括波导裂缝、极化格栅；内骨架包括上翼板、下翼板、侧翼板、支撑板；外骨架则包括天线罩、防护罩、侧封板；通过外骨架和内骨架来为天线提供足够的强度与刚度，以保证馈电网络的安装精度。该方案天线结构组成如图1所示。

为满足雷达天线轻型化要求，内骨架结构件均采用薄铝板整体折弯结构，支撑板、上翼板、下翼板及侧翼板通过铆接方式连接与固定；其中上翼板与下翼板之间间隙构成用于固接波导裂缝和极化格栅；同时通过支撑板将内骨架固定于防护罩内部。外骨架则采用复合材料整体成型，其中天线罩为满足一定电性能要求的半圆弧形结构的复合材料工件，防护罩为U形结构的复合材料工件；所有工件外表面均涂覆疏水性润滑材料，以利于减少风阻和雨水造成的信号传输损失，保证产品全天候正常工作。该方案天线内部结构如图2所示。

图1 A方案天线结构组成图

2.2 方案的结构特点

方案的特点主要体现在以下几个方面：

1）该方案将传统箱体的顶板、底板及防风罩设计成一体式整件结构，加强整体结构刚度的同时进一步提高了天线箱体的密封性，有效避免了外部粉尘、湿气对内部器件的腐蚀 与 损坏；具备结构更为紧 凑 简洁、便于安装的特点。

图2 A 方案天线内部结构

2）方案中上翼板与下翼板形成喇叭状结构，该结构的两端布置有侧翼板，在进一步加强该结构刚度的同时，保证对馈电网络发出信号的定向传导，上翼板及下翼板配合后的窄口端一侧利用设有的第一台阶夹紧和紧固馈电网络的信号发射端，方便而实用；另一侧则利用翻边结构与相对应连接的板面进行配合，进而实现馈电网络、各翼板及箱体的整体化固接构造。

3）方案中天线罩及防风罩均为半圆弧形结构的复合材料工件，其表面涂覆有疏水性润滑材料，以利于减少雨水造成的信号传输损失和降低风阻力，保证产品全天候正常工作。

4）方案具备质量轻型化、结构简洁且实用、便于安装维护、制造周期与成本更低的优点，有利于批量化生产，在雷达通信技术领域内具有广阔的应用前景。

3 B方案工字梁骨架的结构

3.1 结构方案介绍

方案中骨架截面采用工字型结构，因工字型结构抗弯性优良，刚度高，且结构简便，安装空间大，便于馈电网络的安装与维护。方案中馈电网络包括波导裂缝、极化格栅；内骨架包括上翼板、下翼板、侧翼板、支撑板及加强筋；外骨架则包括工字梁、天线罩、防护罩、侧封板；其中工字梁可以采用整体成型方式制造，也可采用角铝与薄铝板连接而成，需依据产品的批量与成本综合考虑，方案采用第二种方式进行介绍。内骨架、外骨架均采用铝件铆接结构形式，骨架内部铆接筋板以增加其刚度，为天线提供足够的强度与刚度，保证天线在外载荷作用下可以稳定可靠地工作。方案天线结构组成如图3所示。

图3 B方案天线结构组成

该方案从骨架刚度设计分析，骨架既要满足必需的刚度和强度，以确保天线正常工作，又要保证安装的空间能够安装天线，所以在刚度理论计算上，综合了以上两种要求，取骨架横截面为工字型结构设计。工字梁骨架制造材料采用质轻的铝板加减重孔的设计形式，整个结构更加牢固，既保证了强度，又保证了刚度。工字梁骨架为顶板、底板、竖板通过角铝进行铆接而成，并辅以加强筋以增加板面的刚度；内骨架通过极化格栅的安装面整体安装于竖板中间的卡槽内，并通过上、下翼板的弯角固定于加强筋上；保证了天线整体的封闭性连接，提高了馈电网络喇叭口的刚度和强度。还有天线罩、防护罩均为满足一定电性能要求的半圆弧形结构的复合材料工件，其工件外表面均涂覆疏水性润滑材料，以利于减少风阻和雨水造成的信号传输损失，保证产品全天候正常工作。方案天线内部结构如图4所示。

图4 B方案天线内部结构

3.2 结构方案特点

方案的特点主要体现在以下几个方 面：1）方案采用工字型骨架结构，很好地利用了其结构特性，即在相同截面的型材中，工字形型材的惯性矩最大，即刚度强；满足天线骨架质量轻、刚度好等需求。2）方案在安装结构设计上，考虑便于安装和保证尺寸精度要求，采用一侧安装设计，有利于安装调试，非常便利，同时对安装精度要求较高处采用机加件来保证精度，减去了装配中的校对调试，使结构设计精度和加工难度大大降低。3）方案具备构造紧凑、便于维护、简便实用、制造周期短等优点，有利于批量化生产，能有效满足雷达天线结构性能需求。

4 结 语

针对传统的筋板框架天线箱体结构的内层支撑体系所带来的诸如结构复杂、零部件数量较多、质量较重、制造周期长、批产效率低等缺陷，本文提出两种结构方案对天线结构进行优化设计与工程实践，较好地验证了方案的可制造性、可维护性；在满足雷达天线结构性能指标的前提下，做到了结构简洁、零部件数量少、整体密封性好且适合批量生产、外形美观等优点。为雷达天线结构的设计提供了新的改进思路，并为实际的工程应用提供了新的解决方案。