某机载雷达有源天线结构设计

蔡香伟 束峰涛

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

随着现代信息战争需求和科技的不断发展，有源相控阵体制在可靠性、隐身性、抗干扰能力和多目标攻击能力等方面均有大幅度提升，逐渐成为现代雷达产品的主流[1-3]。

本文针对某机载雷达研制的任务需求，设计了一种有源相控阵天线，通过力学仿真，验证了天线结构设计满足刚强度指标要求。

1 有源天线结构设计

图1 有源天线安装示意

天线阵面采取二维阵列布局且天线密度大，阵面中的有源设备较多，阵面安装精度要求高，因此需合理采用高度集成化的设计理念对阵面设备进行精心布局。有源天线结构分解如图2 所示，按设备组成的功能将其划分为有源相控阵天线、低功率射频等两大部分。

图2 有源天线分解示意

有源相控阵天线包括微带列线源、校正网络、校正开关、可扩充阵列模块、子阵网络、阵面电源、反射板及天线框架等。其中天线框架是天线单元的主承力构件，天线阵面的机、电、液接口均需经其转接，再与外部相连。反射板与天线阵子安装在天线框架的前端面，可扩充阵列模块、校正网络、阵面电源等沿阵面法向方向安装在反射板上，校正开关布置在天线框架上端内壁上，子阵网络安装在可扩充阵列模块的后表面上。

低功率射频安装在天线框架的背面，主要由窄带接收、数字收发、模拟收发、频率合成及接收电源等模块组成，低功率射频与天线框架通过法兰连接，整体形成一个封闭的箱式结构，有助于增加系统的结构刚强度。在箱体底部加装一对阻尼铰链，当设备需要维修时，可以防止低功率射频跌落，并避免电缆拉扯破坏。图3 为有源天线阵面背面示意。设备布局综合考虑了各设备之间的线缆互联，避免线缆交叉，同时对于需要维修的设备如可扩充阵列模块、子阵网络等采用盲插方式安装，便于各设备的维修与拆装。

图3 有源天线背面

1.1 天线阵面

天线阵面为扁平结构的二维有源相扫天线，具有模块化程度高、体积小、重量轻等特点。图4 为天线阵面的示意，天线采用矩形布阵，有效口径为294.4（俯仰）×166.4mm（方位），俯仰向集成设计为列线源形式。

图4 天线阵面示意

1.2 反射冷板

反射板是机、电、液一体化设计的基准，结构形式需进行优化设计，使其集天线阵子的电反射面、可扩充阵列模块承力件，电、液盲配板于一体，列线源与可扩充阵列模块分别固定在反射冷板的两侧。列线源输出口通过SMP 接头与可扩充模块输入口直接盲插连接，校正网络与列线源的校正输出接口同样采用盲配形式连接。图5 为反射冷板示意图，反射冷板上设置水分配器、静压腔，与可扩充阵列模块通过水接头盲配连接，将冷却液带入可扩充阵列模块中的冷板中，进而将热量带走。

图5 反射冷板示意

1.3 可扩充阵列模块

可扩充阵列模块是有源天线阵面的核心，它的体积、重量、发热量在整个天线系统所占比例最大，因此要求SAM体积尽量小，重量尽量轻，散热最佳。

可扩充阵列模块从反射冷板的背面（正面为列线源的安装面）插拔装卸，其电连接器和液冷连接器均安装在反射冷板背板上，采用盲插拔的连接形式。为了保证可扩充阵列模块的盲插拔功能和性能，其壳体上的机械接口、电接口、液接口的位置精度要求较高，不能低于±0.05mm。在这些接口中，定位精度要求最高的是液接口，因此在定位销的布置和精度要求要优先考虑液接口的要求：在进液、回液水接头附近分别布置一个定位销，如图6 所示。

图6 可扩充阵列模块示意

1.4 子阵网络

有源天线阵面共有4 个子阵网络，外形如图7 所示，包含功分/合成网络、电源管理网络、波控电路，为可扩充阵列模块提供所需的射频、电源、控制信号。

图7 可扩充阵列模块

2 多级盲配互联技术

由于单元间距小、集成度高、连接通路多，如果采用传统的射频电缆对微带天线与可扩充阵列模块之间、可扩充阵列模块与子阵网络之间进行射频连接，已经无法满足产品小型化要求，而多级盲配互联技术已经广泛应用在高密度集成设备中[4-5]，因此，在天线系统馈电网络设计过程中选择了盲配实现各级模块之间的射频互联。每一级盲配均通过销孔和定位销的配合保证盲配精度;盲配互联设计提高了连接可靠性，降低系统结构剖面尺寸、重量和损耗，并具有较好的维修可达性。

3 有源天线力学仿真

根据天线的具体结构形式，转台、天线骨架、可扩充阵列模块、低功率射频等采用实体与壳单元模拟；子阵网络、阵面电源、校正开关、校正网络等采用壳单元模拟；电缆、连接器、液冷接头等非承力件，在保证重心位置不变的情况下采用质量单元进行等效，有限元模型如图8 所示。

图8 有限元模型

在前后方向随机振动条件下，阵面法向变形最大，均方根值为0.1 毫米，小于电讯指定的0.2 毫米指标要求；在9g 向后过载的载荷条件下，应力值最大，为73MPa，天线骨架采用5A06 铝合金加工，许用应力为155MPa，满足强度设计要求。

4 结论

基于某机载雷达任务需求，本文对有源相控阵天线进行了结构设计，并对其进行了力学仿真分析，计算结果表明系统满足设计指标要求。