一体化波导阵面天线的分层结构设计

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1 设计背景

随着雷达向小型化及集成化方向发展,天线结构的设计要求越来越高。在一些新设计的相控阵雷达中,大量采用集成化技术,通过集成多种功能的结构来获得高增益、高可靠性。这种高度集成化的天线性能优良，结构紧凑，体积小，质量轻[1]。

对阵面天线进行集成化设计，通常先将多个波导单元有机集合在一起,然后将功分网络和波导集成在一起,使功分网络与波导成为一体化结构,形成一体化波导阵面天线。这种将多个波导单元和功分网络有机集成在一起的结构,对提升天线的整体性能效果显著。但是,当功分网络与波导集成在一起时,功分网络与波导结构叠加,会使一体化波导阵面天线的内部结构更为复杂,给设计和加工制造增大难度,生产成本难以控制。为有效控制成本,在保证一体化波导阵面天线各项性能指标不下降的前提下,应用可制造性的设计理念,结合分层设计方法,对一体化波导阵面天线进行了分层结构设计。

2 结构分析与规划

一体化波导阵面天线的分层结构设计以天线原理模型为基础,应用Creo三维设计软件强大的建模能力和灵活的剖面可视化功能[2],建立三维数字化模型。为确保所构建的一体化波导阵面天线数字化模型准确可靠,提高设计效率,在工程设计前,先对天线的结构进行全面分析,并根据结构特点,进行科学合理的结构设计规划[3]。

一体化波导阵面天线由16×24个工作单元阵列构成。每个独立工作单元对应一个功分网络、一个裂缝波导和16个四脊方波导的组合体。功分网络的腔体为一分六的功分结构。裂缝波导由三段分隔腔体构成,输出侧开有数行直缝,直缝连通四脊方波导。四脊方波导口就是一体化波导阵面天线的表面。整个一体化波导阵面天线的外观如图1所示。

▲图1 一体化波导阵面天线外观

通过对一体化波导阵面天线的结构进行分析,发现一体化波导阵面天线的每个工作单元结构相同,只需针对一个工作单元的结构进行研究,就能够掌握整个一体化波导阵面天线的结构[4-5]。因此,首先应用Creo软件建立工作单元数字模型,然后应用软件阵列功能构建完整的一体化波导阵面天线工作单元模型。一体化波导阵面天线工作单元模型结构如图2所示。

▲图2 一体化波导阵面天线工作单元模型结构

图2清晰展现了一体化波导阵面天线的功分网络内部腔体结构,以及腔体斜面和台阶等特殊结构，这些特殊结构是影响一体化波导阵面天线分层结构设计和加工制造的重要因素[6]。

3 分层结构设计

通过对一体化波导阵面天线数字化模型进行测量,得到工作单元间距为25.78 mm,腔体宽为22.78 mm,腔体壁厚为1.5 mm。腔体具有尺寸小、精度高的特点,但加工困难。处于天线内部的功分网络和裂缝波导结构复杂,采用通常的方法难以加工。设计分层结构时，要充分考虑一体化波导阵面天线中功分网络和裂缝波导的结构特征,将难以加工的内部腔体变为容易加工的敞开式结构。通过若干分割面,将一体化结构分割为几个独立的零件,分割出的零件，其结构都为敞开式,使加工变得容易[7]。敞开式零件结构如图3所示。

▲图3 敞开式零件结构

确定分割面位置是分层结构设计的关键。借助Creo三维设计软件的可视化功能,以图4所示一体化波导阵面剖视图为参照,作平行于阵面表面的不同分割面,得到的分割面结构所在的零件需满足可制造性要求[8]。结合图5所示一体化波导阵面天线分层图,查找最有利于将天线内部腔体变为敞开式结构的分割面,将特殊结构点所处的平面作为重点分割面。在确定好重点分割面后,分层结构设计的主要分割界面就可以基本确定,然后根据需要设定其它分割面。经过优化,最终确定四个分割面,即将一体化波导阵面天线分割为五个独立零件。这种分层结构设计满足可制造性要求,可以兼顾一体化波导阵面天线所需要的尺寸精度要求,加工的零件数量最少,是比较科学合理的。

▲图4 一体化波导阵面天线剖视图▲图5 一体化波导阵面天线分层图

通过分层结构设计，各零件结构都为敞开式,非常有利于加工制造,成本也能够有效控制。零件经过精加工后,通过真空钎焊一次焊接成形，重新组成完整的一体化波导阵面天线[9]。采用由整体到零件的分层结构设计方法，大幅降低了制造难度,确保了结构建模的准确性,改善了零件的可制造性[10],设计效率大为提高,零件加工精度得到保证。经过测试，一体化波导阵面天线的性能完全满足指标要求。

4 结束语

多空间结构零件的设计加工一般采用模型铸造、熔模铸造或三维打印等,对表面粗糙度和尺寸精度要求比较严格的零件,常规加工方法无法满足要求。采用分层结构设计方法,应用Creo三维设计软件进行建模,以可制造性为设计理念,能够实现一般条件下难以完成的复杂空间结构零件的加工,大幅降低加工制造成本。笔者进行了一体化波导阵面天线的分层结构设计，可以解决空间结构零件加工难的问题,有助于一体化波导阵面天线结构设计和可制造性技术的进一步发展。