一種基于有源子陣的車載天線系統(tǒng)結構設計

李潤生

摘? ?要：文章以發(fā)射天線陣面為例，結合技術指標要求，從總體思路、系統(tǒng)布局、子陣的劃分以及主要部件設計等方面，詳細介紹了該可擴展天線陣面的結構設計，為其他同類產品研制提供了一定的經(jīng)驗和思路。

關鍵詞：有源子陣;車載天線系統(tǒng);結構設計

1? ? 開放式陣面系統(tǒng)研發(fā)背景

有源相控陣系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢是將雷達、電子戰(zhàn)、遙感和通信等多項功能綜合融入單一有源相控陣雷達。為適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求，需要構建開放式陣面系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)可重構、可擴展功能，根據(jù)作戰(zhàn)需求調整陣面規(guī)模和陣面功能，滿足現(xiàn)代雷達性能提升要求[1]。

某車載測量雷達采用有源相控陣體制，天線系統(tǒng)由收、發(fā)分置的兩塊天線陣面組成，兩塊天線陣面外形尺寸相同，均為2.5 m×2.5 m×0.14 m（見圖1）。

兩者設備組成也基本相同，均采用子陣式集成方式，通過擴展子陣規(guī)模可實現(xiàn)產品升級和產品系列化需求。

以發(fā)射天線陣面為例，其組成設備包括一體化子陣、天線骨架、功分網(wǎng)絡、液冷管網(wǎng)、整機電纜、天線罩以及維修門等部分。一體化子陣為有源子陣，包含子陣輻射天線、多功能冷板、發(fā)射模塊、綜合饋電網(wǎng)絡、多功能模塊等器件。

下面將結合主要設計要求，分別對一體化子陣、天線骨架以及天線陣面密封設計進行介紹。

2? ? 主要設計要求

（1）有源天線系統(tǒng)的工作波段位于X波段范圍內，最大輻射口徑為2 336.9 mm×2 336.9 mm。

（2）工作環(huán)境較為惡劣，天線陣面需要具備一定的防潮、防霉菌、防銹蝕、防風沙、防凍等一系列防護性能。

（3）基于安全性考慮，要求天線陣面在6級風（13.8 m/s）情況下，保證設備運行滿足精度要求;在12級風（32.6 m/s）情況下，保證設備不被破壞。

3? ? 總體思路

（1）基于可擴展、可重構需求，天線系統(tǒng)主要考慮子陣式集成思路，因此，一體化子陣是整個天線系統(tǒng)的核心部件，整個天線陣面的結構設計應圍繞一體化子陣的設計通盤考慮。

（2）有源相控陣天線通常集成大量有源設備或器件，當環(huán)境條件較為惡劣時，天線陣面的防護尤為重要，因此，對于本文所述天線陣面來說，密封防護設計是需要放在首位考慮的。根據(jù)環(huán)境指標要求，需要對天線陣面進行整體水密級設計。

（3）由于天線布局特殊，為了不遮擋天線背部的維修空間，保證能夠從天線背部打開維修門進行正常的設備維護，天線背架不能為天線陣面布置斜向支撐，只能沿俯仰向提供3處安裝接口，這將帶來兩個問題：第一，同等自重和風載情況下，連接處的應力更高。第二，同等自重和風載情況下，天線陣面法向形變更大。

因此，無論是出于安全性考慮，還是出于指標符合性考慮，減輕重量和提高剛性對天線陣面的設計來說都至關重要，必須要體現(xiàn)在具體設計環(huán)節(jié)中。

4? ? 發(fā)射天線陣面系統(tǒng)布局設計

2 336.9 mm×2 336.9 mm為發(fā)射天線陣面最大的有效電口徑，沿陣面中心可分成4個對稱區(qū)域，綜合考慮天線輻射口徑、天線布陣特點、加工性以及成本等因素，將天線輻射陣面劃分為36個子陣輻射天線，以子陣輻射天線的外形尺寸來確定一體化子陣的外形尺寸，同時，將天線陣面設備按照36等分分配到每個子陣中形成一個有源子陣模塊。

圖2為發(fā)射天線陣面組成設備布局，主要設備大體上為分層布置，從上至下分別為天線罩、一體化子陣、天線骨架、維修門。一體化子陣以“前裝后固定”的方式安裝于天線骨架前端面，功分網(wǎng)絡、液冷管網(wǎng)和整機電纜布置于天線骨架內部。

5? ? 一體化子陣結構設計

5.1? 子陣架構設計

一體化子陣采用片式架構，主體支撐為多功能冷板，冷板前端安裝子陣輻射天線，冷板后端安裝發(fā)射模塊和多功能模塊，綜合饋電網(wǎng)絡安裝于天線與冷板之間的夾層，如圖3所示。子陣安裝完成后，所有有源器件（發(fā)射模塊和多功能模塊）伸入骨架內部，打開維修門即可實現(xiàn)后端修護和更換。

子陣輻射天線為裂縫天線，采用薄板釬焊成型;發(fā)射模塊為單通道模塊，采用氣密級密封設計;多功能冷板內部集成液冷管道，發(fā)射模塊和多個功能模塊可通過盒體與冷板之間的熱量交換實現(xiàn)散熱。

5.2? 子陣電連接

由于子陣內部各設備電接口數(shù)量較多，相互之間的連接復雜。子陣電連接設計應滿足各設備之間電連接的可靠性、高故障率設備的維修性及電纜的可視性等方面的要求。

為降低損耗，發(fā)射模塊輸出電信號到天線單元采用盲配連接的形式實現(xiàn);同時，在發(fā)射模塊的輸入端，來自綜合饋電網(wǎng)的電信號（1路射頻，1路低頻）同樣通過盲配連接實現(xiàn);多功能模塊與綜合饋電網(wǎng)絡之間通過固定在多功能冷板上的轉接插座實現(xiàn)信號傳輸。這樣一來，大量低頻線纜隱藏在子陣輻射天線與多功能冷板夾層中，裝配完成后，子陣背部基本可以滿足電纜可視性方面的要求。

6? ? 天線骨架

天線骨架結構尺寸為2 500 mm×2 500 mm×140 mm，骨架前端面安裝一體化子陣及天線罩，后端面安裝維修門，內部布置功分網(wǎng)絡、液冷分配器、電纜及液冷管網(wǎng)等設備，天線骨架外形，如圖4所示。

發(fā)射天線系統(tǒng)中，天線骨架作為整個有源陣面主支撐結構以及抗外部荷載的主承力結構，有精度要求高、剛強度高、溫度變形均勻、重量輕等設計要求。此外，由于天線子陣無法實現(xiàn)單獨密封，天線骨架還應具備可密封的條件。針對上述要求，選擇框架式受力體系作為天線骨架，主承力截面采用工字型梁形式。

受天線陣列布陣特征、有源模塊集成方式及子陣安裝方式的影響，天線骨架內部呈平行四邊形網(wǎng)格構型。此外，由于天線子陣背部設備伸入骨架內部，部分器件與天線骨架之間的間距較小，為保證裝配性，部分工字梁翻邊處需適當加工，修整部分網(wǎng)格開檔尺寸。

天線骨架采用C型截面梁及“工”字形截面梁或焊接成型，其中，四周主梁為C型截面，中間十字主梁及各輔梁均為“工”字型截面，所有截面梁選用鋁5A06板材銑削加工成型。

天線骨架最終的外形尺寸、一體化子陣安裝面以及天線系統(tǒng)對外的所有機、電、液接口通過焊接后進行二次銑削加工滿足其要求。骨架內部用于安裝功分網(wǎng)絡、液冷分配器及固定電纜、液冷管網(wǎng)的所有接口與其所依附的零件一同加工成型。

7? ? 密封設計

受天線單元間距影響，子陣之間的空間無法滿足子陣單獨密封設計所需結構尺寸要求，因此，需要對天線陣面進行整體密封設計，具體采用了以下措施。

（1）所有有源器件均進行密封設計，其中，發(fā)射模塊蓋板和連接器處均采用焊接工藝，可保證一定的氣密性;多功能模塊蓋板處和連接器處均使用密封圈，內部器件均進行“三防”處理。

（2）天線骨架采用焊接成型，避免鉚接帶來的密封問題。

（3）采用天線罩加密封圈的方式進行前端密封，同時，天線罩選擇一體成型，具有較好的剛性，也能夠更好地保證密封效果。

（4）利用鋁骨架加工優(yōu)勢，所有外部安裝孔（天線罩、轉接板、維修門的安裝接口）在設計初期便按照盲孔考慮，充分保證設計空間，避免了傳統(tǒng)薄板鋼骨架外部安裝孔工藝密封不可靠的現(xiàn)象。

8? ? 結語

本文根據(jù)陣面可擴展、可重構要求和系統(tǒng)設備組成特點，從子陣結構劃分、系統(tǒng)架構等方面介紹了一體化子陣結構設計。同時，通過采用一種輕質、高剛性鋁骨架結構設計方法和天線陣面整體密封設計技術，滿足了產品的使用需求和設計要求，為該類型雷達天線陣面的設計提供了一定的經(jīng)驗。

[參考文獻]

[1]唐寶富，鐘劍鋒，顧葉青.有源相控陣雷達天線結構設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016.

Vehicle-mounted antenna system based on active sub-array architectural design

Li Runsheng

（China Electronic Science and Technology Group， Thirty-eighth Institute， Hefei 230088， China）

Abstract：The paper introduces the structure design of the surface of the extended antenna array from the aspects of general idea， system layout， sub-array division and main component design， taking the surface of the transmission antenna array as an example and combining the technical index requirements.It provides some experience and thought for the development of other similar products.

Key words：active sub-array; on-board antenna system; structural design