一種兩維擴(kuò)展層模塊的設(shè)計(jì)

宮乙?guī)洠瑒④?，羅安治，周錦文

（揚(yáng)州船用電子儀器研究所，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

近年來，隨著相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展，其已逐漸成為雷達(dá)技術(shù)主流趨勢，而天線前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面［1］。某工作頻段相控陣?yán)走_(dá)在設(shè)計(jì)時(shí)，受到支撐結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等因素的空間限制，陣列單元間距與T／R組件通道的間距需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文研究了一種模塊化拼裝式擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)，將T／R組件通道的間距轉(zhuǎn)換為陣列單元間距，既要滿足結(jié)構(gòu)安裝精度要求，又能達(dá)到射頻傳輸?shù)囊幌盗须娦阅苤笜?biāo)。這種模塊化擴(kuò)展層組件的設(shè)計(jì)在于獲得研制周期短、質(zhì)量高的產(chǎn)品［2］。擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)通過前、后端面布置盲插射頻連接器，實(shí)現(xiàn)天線陣列單元的一維或兩維擴(kuò)展，這種盲插射頻連接器的尺寸小、插拔方便，可使陣面結(jié)構(gòu)更加緊湊［3］。由于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)面臨著越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，因此，擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)在使用時(shí)的可靠性越來越受到重視［4］。本文通過對單個(gè)擴(kuò)展層模塊的電纜組件的電性能測試，以及利用有限元分析方法，利用仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真數(shù)據(jù)對擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了陣列天線與后端組件的連接問題，為該領(lǐng)域的研究提供了極具價(jià)值的借鑒方法。

1 擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 擴(kuò)展層連接形式

擴(kuò)展層與陣列單元對接的每個(gè)端口為SMP－JYD20M－S2型連接器，半擒縱形式，陣列天線上每個(gè)輻射單元的連接端口為SMP－JYD20M－S1型連接器，非擒縱形式，擴(kuò)展層與陣列天線之間通過SMP－KK28型連接器過渡。兩種SMP－J型連接器具有一定軸向浮動(dòng)量，浮動(dòng)0～0.5 mm，工作狀態(tài)軸向壓縮大約0.4 mm，SMP－KK28型轉(zhuǎn)接器徑向兼容性為±0.25 mm，軸向兼容性0～0.25 mm。

圖1 擴(kuò)展層連接示意圖

擴(kuò)展層與T／R組件通道對接的每個(gè)端口為SBMA－K型連接器，T／R組件通道利用SBMA／SMP－JYJ轉(zhuǎn)接器進(jìn)行轉(zhuǎn)接，SBMA－K型與SBMA／SMP－JYJ型對插時(shí)，SBMA－K型連接器具有一定的浮動(dòng)量，徑向浮動(dòng)為±0.25 mm，軸向浮動(dòng)0～2.2 mm，其中SBMA－K插座外露1.6 mm，也可縮入擴(kuò)展層結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，工作狀態(tài)軸向壓縮0.4～0.8 mm。擴(kuò)展層的具體連接形式如圖1所示。

1.2 擴(kuò)展層受力分析

擴(kuò)展層與陣列天線對接時(shí)，某雷達(dá)產(chǎn)品天線模塊設(shè)計(jì)有96個(gè)SMP－J型通道，需要同時(shí)進(jìn)行插拔，為方便裝配與拆卸，需控制SMP－KK型轉(zhuǎn)接器插拔力，使其單路分離力約為3 N，其中外導(dǎo)體分離力控制在2～3 N （取平均分離力2.5 N），內(nèi)導(dǎo)體分離控制在0.3～0.8 N （取平均分離力0.5 N），單路嚙合力約6 N，96個(gè)通道同時(shí)插拔時(shí)分離約為288 N，插入力約為864 N（考慮多路對插時(shí)不對準(zhǔn)度的影響因素插入力量增大1.5 倍）。

擴(kuò)展層與T／R組件對接時(shí)，某雷達(dá)產(chǎn)品組共安裝8個(gè)T／R組件，正反貼裝，共64個(gè)通道，與擴(kuò)展層連接的端口為SBMA／SMP－J型，為方便裝配與拆卸，需對其嚙合力和分離力進(jìn)行控制，單路分離力約為3 N，其外導(dǎo)體及內(nèi)導(dǎo)體分離力控制要求同SMP，單路嚙合力約為8 N；64通道同時(shí)分離力約為192 N，插入力約為768 N（考慮多路對插時(shí)不對準(zhǔn)度插入力量增大1.5倍）。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陣列天線單元的間距為A×B，T／R組件的射頻通道間距為a×b，因此擴(kuò)展層模塊在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮組裝后的可靠性。陣列天線的擴(kuò)展是由多個(gè)擴(kuò)展層模塊組裝而成的，由于陣列天線為三角陣列布置，考慮到擴(kuò)展層模塊的互換性，與陣列天線相連的一側(cè)設(shè)計(jì)為鋸齒形結(jié)構(gòu)［5］。為了增加擴(kuò)展層整機(jī)工作時(shí)的結(jié)構(gòu)剛性，擴(kuò)展層支撐架采用一體加工成型，并在前后板之間設(shè)計(jì)多處加強(qiáng)肋，加強(qiáng)肋有效避開了射頻連接器的安裝位置，同時(shí)便于射頻線纜的固定。圖2所示為擴(kuò)展層支撐架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 擴(kuò)展層支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

擴(kuò)展層模塊的SMP－J端平面精度及位置度精度會(huì)影響后續(xù)陣列天線與擴(kuò)展層的連接可靠性，是保障的重點(diǎn)［6］。擴(kuò)展層組裝后的平面精度主要由擴(kuò)展層支撐架兩個(gè)端面的加工精度以及與其自身安裝的框架表面加工精度決定，其安裝面平面度不大于0.1 mm。擴(kuò)展層模塊的精度在厚度方向公差為±0.05 mm，其他兩個(gè)方向公差最大為±0.1 mm，考慮其自身安裝框架的平面度0.1 mm及定位銷定位精度±0.05 mm，綜合累積公差，擴(kuò)展層裝配后SMP－J端面的厚度方向公差不大于±0.15 mm，其他兩個(gè)方向公差帶不大于±0.15 mm。

為保證擴(kuò)展層模塊相互之間的位置精度，使用一對定位銷在兩端安裝面進(jìn)行定位，同時(shí)兩端安裝面均設(shè)計(jì)有4顆M5脫不出螺釘，有效防止擴(kuò)展層在安裝、拆卸時(shí)，螺釘不會(huì)掉落至擴(kuò)展層內(nèi)，提高了陣面裝置的維修性。

2 擴(kuò)展層電性能設(shè)計(jì)

擴(kuò)展層的電性能指標(biāo)主要有在某工作頻段下的駐波、插損、損耗幅度一致性、相位一致性以及通道隔離度等，均需要通過仿真、計(jì)算或測試等來驗(yàn)證分析。

2.1 駐波比

本文以理論設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過仿真軟件，對電纜組件結(jié)構(gòu)尺寸仿真計(jì)算、分析，確定了電纜組件基本結(jié)構(gòu)的可行性，再通過加工精度控陣，確保電壓駐波比達(dá)到目標(biāo)值。

2.2 相位一致性

電纜組件之間相位一致性主要從以下3個(gè)方面來考慮：（1）選擇穩(wěn)相性能良好的電纜作為基礎(chǔ)；（2）有效控制電纜組件的長度一致性；（3）在保證焊接可靠的前提下，盡量縮短焊接時(shí)間，防止電纜老化。本次設(shè)計(jì)選用了性能優(yōu)良的3506電纜，經(jīng)高精度的加工、檢測設(shè)備，有效保證了該指標(biāo)。

2.3 插損的計(jì)算

電纜組件的插損值為：（連接器插損＋電纜插損）×1.1。本次擴(kuò)展層使用的電纜為3506型電纜，其插損為2.7 dB／m （某頻率）；連接器插損0.15 dB／只（某頻率）。則通過計(jì)算得單通道電纜組件插損為0.8 dB，滿足使用要求。

2.4 通道間隔離度

根據(jù)擴(kuò)展層前后端面實(shí)際轉(zhuǎn)接的射頻通道間距，即陣列天線單元間距為A×B，T／R組件通道間距為a×b。根據(jù)擴(kuò)展層前后端面射頻連接器的布置情況，進(jìn)行試驗(yàn)測試。具體測試方法如下。

（1）制作兩根電纜組件，一端為SMA－K型，一端為SMP－J型；SMP－J端接SMP－K型負(fù)載，然后將兩個(gè)SMP端放置的間距為B（擴(kuò)展層SMP－J端最小間距為B），兩個(gè)SMA－K型端口分別連接矢網(wǎng)測試某工作頻段下?lián)p耗值，測試過程如圖3所示，損耗值如表1所示。

（2）制作兩根電纜組件，一端為SMA－J型，一端為SBMA－K型；SBMA－K型端接SBMA－J型負(fù)載，然后將兩個(gè)SBMA端放置的間距為b（擴(kuò)展層SBMA－K端最小間距為b），兩個(gè)SMA－J型端口分別連接矢網(wǎng)測試工作頻段下?lián)p耗值，測試過程如圖4所示，損耗值如表1所示。

圖4 SBMA－K端隔離度測試（電纜2）

表1 SMP－J端口／SBMA－K端口組件隔離度

（3）制作兩根電纜組件，一端為SMP－J型，一端為SBMA－K型（同擴(kuò)展層電纜組件）；SBMA－K型端接SBMA－J型負(fù)載，然后將兩個(gè)SBMA端放置的間距為b（擴(kuò)展層SBMA－K端最小間距為b），兩個(gè)SMP－J端通過轉(zhuǎn)接器分別連接矢網(wǎng)測試某工作頻段下?lián)p耗值；SMP－J端接SMP－K型負(fù)載，然后將兩個(gè)SMP端放置的間距為B（擴(kuò)展層SMP端最小間距為B），兩個(gè)SBMA－J型端口分別連接矢網(wǎng)測試某工作頻段下?lián)p耗值，測試過程如圖5、6所示，損耗值如表2所示。

圖5 SBMA－K端接負(fù)載（電纜3）

圖6 SMP－J端接負(fù)載（電纜3）

表2 SMP－J／SBMA－K 電纜組件隔離度

綜合上述試驗(yàn)測試結(jié)果的對比分析，在設(shè)定的通道間距下，擴(kuò)展層通道間的隔離實(shí)測值可達(dá)－74 dB，滿足某工作頻段的隔離度要求。

3 結(jié)構(gòu)件仿真分析

擴(kuò)展層模塊支撐架前后安裝的連接器均需浮動(dòng)，擴(kuò)展層在工作狀態(tài)下軸向壓縮量為0.4 mm，單通道承受彈簧的彈力取極限值（約11 N）。擴(kuò)展層在整機(jī)組裝完成后，SBMA及SMP端的平面各自需承受128個(gè)射頻連接器的彈簧彈力，彈力總和約1 408 N，即SBMA安裝端面及SMP－J端面均需承受1 408 N的正壓力，基本為均勻分布。

在NX10.0三維設(shè)計(jì)軟件中對擴(kuò)展層模塊支撐架進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析，以優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真數(shù)據(jù)對支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［7］。擴(kuò)展層模塊支撐架的材料特性如表3所示。

表3 擴(kuò)展層支撐架材料6061鋁合金的性能參數(shù)

3.1 邊界條件及網(wǎng)格劃分

在ANSYS Workbench軟件中，根據(jù)實(shí)際受力情況對模型進(jìn)行約束條件的設(shè)定，如圖7所示。固定方式：在SBMA－K端面兩側(cè)共面，各用4顆M5螺釘緊固，螺釘連接按照固定約束處理。載荷約束：在SMP－J端面施加垂直方向1408N力，均勻分布，由上向下；在SBMA－K端面施加垂直方向1 408N力，均勻分布，由下向上。

圖7 擴(kuò)展層模塊支撐架受力示意圖

對擴(kuò)展層支撐架有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過控制網(wǎng)格的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)，確保運(yùn)算有效，節(jié)點(diǎn)數(shù)量約130萬個(gè)，單元數(shù)量約86萬個(gè)，網(wǎng)格平均質(zhì)量81%。約束條件設(shè)定完成后，對模型進(jìn)行仿真計(jì)算［8］。

3.2 分析結(jié)果

經(jīng)ANSYS Workbench軟件分析，擴(kuò)展層模塊支撐架在設(shè)定的安全系數(shù)下，最大應(yīng)力值為22.09 MPa（圖8），主要分布在加強(qiáng)肋處，遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力，在最嚴(yán)苛的狀態(tài)下滿足設(shè)計(jì)要求；最大變形量為0.039 mm （圖9），主要分布在SMP－J端面，也遠(yuǎn)小于該材料的許用變形量，不會(huì)影響零件配合精度，同樣滿足要求。

圖8 擴(kuò)展層模塊支撐架應(yīng)力分布云圖

圖9 擴(kuò)展層模塊支撐架應(yīng)變分布云圖

4 擴(kuò)展層模塊實(shí)際使用

根據(jù)電纜組件測試分析以及結(jié)構(gòu)件的多輪優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合了支撐架整體加工成型的工藝性及電纜組件安裝可行性等，對擴(kuò)展層模塊進(jìn)行批量化的加工生產(chǎn)，如圖10所示。單個(gè)擴(kuò)展層模塊測試性能優(yōu)良，多組擴(kuò)展層模塊隨產(chǎn)品整機(jī)安裝后，成功通過了一系列環(huán)境試驗(yàn)，穩(wěn)定可靠。

圖10 擴(kuò)展層模塊實(shí)物圖

目前該擴(kuò)展層模塊已成功運(yùn)用到某頻段雷達(dá)產(chǎn)品中，實(shí)際使用效果良好。同時(shí)，有效提高了該雷達(dá)產(chǎn)品的模塊化水平，使得陣面內(nèi)部器件拆裝方便，大大節(jié)省了雷達(dá)陣面的裝配時(shí)間，降低了成本。

5 結(jié)束語

本文通過合理的精度控制、誤差分配保證擴(kuò)展層模塊的定位安裝，同時(shí)通過對所選射頻連接器電性能的測試分析，驗(yàn)證了擴(kuò)展層轉(zhuǎn)接的可靠性。由擴(kuò)展層模塊拼裝而成的兩維陣列擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于某頻段雷達(dá)產(chǎn)品，有效解決了該雷達(dá)高密度射頻轉(zhuǎn)接的問題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品模塊化轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)的目標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)。