高精度高集成度多波束饋源組件一體化設(shè)計(jì)及制造方法 ①

何佳歡，王旭東，龔 琦，陳修繼，萬繼響，李 靜，劉云天

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)需求的迅猛增長,發(fā)展寬帶高通量衛(wèi)星,研制與寬帶大容量需求相適應(yīng)的多波束天線技術(shù)成為迫切需求。多波束天線采用多點(diǎn)波束極化和頻率復(fù)用，使得在同樣頻譜資源的條件下，整星通信容量成倍提升，成為星載天線領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向[1]。而反射面天線則是目前實(shí)現(xiàn)多波束這一性能的最佳方案[2-7]。通過反射面天線的多波束形成方案對(duì)比分析，綜合考慮饋電難度及星上的布局空間，針對(duì)每波束7饋源合成的單口徑多饋源多波束天線饋源陣列饋電部件無源器件數(shù)量大、級(jí)聯(lián)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)包絡(luò)小、無法采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)加工等特點(diǎn)，給出了相應(yīng)的饋源陣列一體化設(shè)計(jì)、制造及實(shí)現(xiàn)方法，為未來高性能寬帶高通量衛(wèi)星后續(xù)應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 多波束形成方案的比較與選擇

為了在星上產(chǎn)生更多高增益低旁瓣的點(diǎn)波束,通常需要大口徑的星載天線，而反射面天線則是目前實(shí)現(xiàn)多波束這一性能的最優(yōu)方案。反射面多波束天線的饋源通常由多個(gè)喇叭單元組成，其波束的形成方式可分為單饋源每波束(single feed per beam，SFB)和多饋源每波束(multiple feed per beam，MFB)兩種[8-9]。

SFB利用多口徑(3～4副反射面天線)實(shí)現(xiàn)饋源陣子波束間隔排列，采用大口徑饋源獲得較高的波束交疊并降低天線旁瓣，實(shí)現(xiàn)高增益高C/I的多波束無縫覆蓋，滿足高通量衛(wèi)星的使用需求。該類天線性能優(yōu)良，但需要的反射器數(shù)量較多，對(duì)天線安裝精度及異步展開精度提出了較高的要求。由于該波束形成方案難以實(shí)現(xiàn)波束重構(gòu)，當(dāng)波束需求數(shù)量增加時(shí)，相應(yīng)的饋源數(shù)量也會(huì)增加，進(jìn)而饋源陣的體積和重量急劇增加，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的承載及火箭的運(yùn)載提出了較高的要求。

MFB采用饋源陣列模式排布，饋源陣中每個(gè)子陣(通常7個(gè)饋源或4個(gè)饋源)合成后形成一個(gè)波束，相鄰的子陣共用1～2個(gè)饋源形成相鄰波束，采用波束形成網(wǎng)絡(luò)(beam form network，BFN)向陣列單元激勵(lì)所需的振幅和相位，以形成不同形狀的多波束[10-12]。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)不規(guī)則區(qū)域的覆蓋具有明顯優(yōu)勢(shì)，只需兩個(gè)反射器便能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)，節(jié)約了衛(wèi)星表面空間，安裝相對(duì)方便，且各波束指向誤差相對(duì)較小。但在形成相同點(diǎn)波束覆蓋的情況下，MFB所需的饋源單元數(shù)量通常是SFB所需的數(shù)倍，使得饋電網(wǎng)絡(luò)要比SFB成束方式緊湊且復(fù)雜得多。

兩種典型SFB及MFB多波束天線饋源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

(a)SFB多波束天線饋源組件示意圖

對(duì)于星上空間足夠的通信衛(wèi)星來說，綜合考慮饋電難度，SFB方案不失為一種理想的方案，但對(duì)于安裝空間有限或有極化復(fù)用要求的多波束天線來說，MFB方案則更為適合[3]。在相同點(diǎn)波束覆蓋的情況下，MFB所需的饋源單元數(shù)目通常是SFB所需單元的數(shù)倍，文章針對(duì)單口徑每波束7饋源合成多波束饋源陣列及其波束形成網(wǎng)絡(luò)無源結(jié)構(gòu)數(shù)量大，級(jí)聯(lián)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)包絡(luò)小，很難通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、裝配方式實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，提出了適合該類高精度、高集成度饋源組件的一體化設(shè)計(jì)、加工及裝配方法。

2 饋源陣列多維一體化、集成化設(shè)計(jì)

2.1 饋源陣列的剖分設(shè)計(jì)

單口徑每波束7饋源合成多波束饋源陣列及其波束形成網(wǎng)絡(luò)BFN作為單口徑多饋源多波束天線技術(shù)(MFB)的核心部件，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很大程度上影響著天線的性能。單口徑多饋源多波束天線在進(jìn)行多波束覆蓋應(yīng)用時(shí)，波束數(shù)量往往較大。波束形成網(wǎng)絡(luò)BFN部分需要幾十甚至上百個(gè)無源耦合器、大量移相器及連接波導(dǎo)級(jí)聯(lián)，結(jié)構(gòu)緊湊，腔體復(fù)雜，無法采用傳統(tǒng)的部件剖分、加工及連接方式。饋源陣列腔體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 饋源陣列腔體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

該饋源陣列采用了分層剖分的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)饋源陣列的射頻和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將喇叭陣列、圓極化器陣列與后端的波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離，剖分后喇叭陣列與圓極化陣列可采用數(shù)銑、輔助電火花一體加工，可很好地保證各饋源相互間的尺寸精度及位置精度。其位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 饋源陣列各部件關(guān)系示意圖

波束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)在綜合考慮射頻特性和可加工性的基礎(chǔ)上，將無源多端口定向耦合器、移相器及連接波導(dǎo)分入若干層，分層后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為開放式腔體，通過常規(guī)的高精度銑削及電火花加工即可滿足零件的尺寸精度控制要求，極大的降低了網(wǎng)絡(luò)的加工難度，有效的提升了加工效率。高精度、高集成度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過饋電腔體與分層式結(jié)構(gòu)聯(lián)接螺釘位置的優(yōu)化布局及層間定位，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)一體化設(shè)計(jì)。單口徑每波束7饋源合成多波束饋源陣列分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 單口徑多饋源多波束饋源組件陣結(jié)構(gòu)示意圖

分層剖分的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了饋源陣列的一體化、小型化、輕量化設(shè)計(jì)，兼顧了后期的加工及裝配，有效地降低了加工難度，通過提高加工裝配精度以控制其對(duì)指標(biāo)所帶來的負(fù)面影響。同時(shí)，多維一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將整個(gè)饋源陣的插損控制在較低的水平，通過對(duì)插損的控制提升天線輻射效率。

2.2 饋源陣分層結(jié)構(gòu)連接及壓緊設(shè)計(jì)

饋源陣列采用分層剖分，層間連接定位的級(jí)聯(lián)一體化結(jié)構(gòu)形式，波束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)的無源器件被分入不同的層，網(wǎng)絡(luò)層間連接點(diǎn)布置時(shí)，在避讓無源腔體及保證一定的壓緊力的前提下，按照一定波長網(wǎng)格化布點(diǎn)、空間允許的位置可穿層連接，保證腔體壓緊。連接點(diǎn)數(shù)量一定時(shí)，通過減小接觸面積的方式提高接觸面間的壓強(qiáng)。同時(shí)，各層間設(shè)置定位銷孔，既保證了加工及裝配過程中的層間定位，又保證后期饋源陣列各層間的復(fù)裝精度。饋源陣列各分層結(jié)構(gòu)層間連接示意圖如圖5所示。

圖5 饋源陣列各分層結(jié)構(gòu)層間連接示意圖

為了保證饋源陣列及波束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)分層結(jié)構(gòu)的層間連接、緊固及壓緊，該饋源陣列需在較大的溫度梯度下保證饋源陣各層尤其是波束形成網(wǎng)絡(luò)各層層間保持一定的壓強(qiáng)及壓緊力，從而保證各通道的射頻性能。傳統(tǒng)的緊固件、彈墊及平墊的壓緊方式僅在安裝時(shí)施加一定的擰緊力矩以保證網(wǎng)絡(luò)的各層壓緊，但隨著溫度的變化，由于材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，無法始終保持壓緊狀態(tài)，可能會(huì)造成電磁波泄露、微放電，影響產(chǎn)品的性能。

基于此，饋源陣列及網(wǎng)絡(luò)層間采用熱補(bǔ)償墊圈替代傳統(tǒng)的平、彈墊，目的是當(dāng)產(chǎn)品溫度發(fā)生變化時(shí)，饋源陣網(wǎng)絡(luò)各連接層始終保持一定的壓強(qiáng)及壓緊力。分層結(jié)構(gòu)的厚度及螺釘連接長度可根據(jù)各器件的走向及安裝螺釘?shù)牟贾么_定，熱補(bǔ)償墊圈的高度H為：

(1)

其中：L為分層結(jié)構(gòu)的厚度，單位為：mm；

α1為分層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)，單位為：10-6/℃；

α2為熱補(bǔ)償墊圈的熱膨脹系數(shù)，單位為：10-6/℃；

α3為連接螺釘?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，單位為：10-6/℃。

該溫變環(huán)境下的螺釘壓緊力保持方法及熱補(bǔ)償墊圈不但適用于合成多波束饋源陣各組成部分及網(wǎng)絡(luò)各分層結(jié)構(gòu)層間壓緊力的保持，還可用于有壓緊力保持要求的其他結(jié)構(gòu)，借以平衡和匹配不同材料溫變環(huán)境下尺寸變化對(duì)螺釘壓緊力的影響。

3 基于剖分結(jié)構(gòu)的加工方案選擇

相比于使用較早、應(yīng)用較為廣泛的UHF頻段、X頻段、Ku頻段、Ka頻段及更高頻段，大寬帶、高數(shù)據(jù)吞吐量的技術(shù)特點(diǎn)更適合多波束天線的應(yīng)用。由于頻率較高，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸小，尺寸精度要求高，尺寸精度一般不超過±0.02 mm。傳統(tǒng)饋電部件復(fù)雜封閉腔體大量采用電火花加工，加工成本高、加工周期長，且隨著電極的磨損還將對(duì)產(chǎn)品的尺寸精度造成一定的影響[13-14]。單口徑每波束7饋源合成多波束饋源陣在綜合考慮射頻性能和可加工性的基礎(chǔ)上，采用了分層剖分的設(shè)計(jì)。喇叭陣列、極化器陣列、波束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)各分層結(jié)構(gòu)均為開放腔體結(jié)構(gòu)，90%有高精度尺寸控制要求的饋電腔體尺寸均可采用銑削的加工方法，極大地規(guī)避了上述電火花加工的弊端，降低了加工和裝配難度，提高了加工效率。

其中，喇叭陣列、喇叭錐面采用效率較高的數(shù)銑成型進(jìn)行加工。一次成型錐面、內(nèi)孔，電火花成型環(huán)槽相結(jié)合的加工方式，減少了電火花的加工量，有效的提高了加工效率，降低了電火花加工電極損耗帶來的質(zhì)量控制問題。極化器陣列通過銑削加工銑毛坯，電火花加工成型方腔及膜片階梯。波束形成網(wǎng)絡(luò)分層后，各無源部件腔體開放，可采用銑削加工為主，電火花加工為輔的加工方式，極大的降低了加工難度，提高了加工效率。喇叭陣列及極化器陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

(a)喇叭陣列結(jié)構(gòu)示意圖 (b)極化器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

4 基于精度匹配的厚度補(bǔ)償裝配

饋源組件及網(wǎng)絡(luò)各分層結(jié)構(gòu)無源部件腔體尺寸精度可通過機(jī)床加工精度保證，BFN加工及裝配的難點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)各分層結(jié)構(gòu)厚度方向尺寸精度的控制，若單層網(wǎng)絡(luò)厚度方向的公差控制在±0.01 mm，則N層網(wǎng)絡(luò)裝配后的厚度公差累積將達(dá)到±N×0.01 mm，無法與喇叭陣列與極化器陣列所能達(dá)到的加工精度匹配，造成通道腔體無法對(duì)正。為此，波束形成網(wǎng)絡(luò)在加工時(shí)，通過層間公差匹配及厚度補(bǔ)償?shù)姆绞奖ＷC腔體的尺寸公差控制在要求的范圍以內(nèi)。

裝配時(shí)，饋源陣列波束形成網(wǎng)絡(luò)以中間層為基準(zhǔn)，對(duì)稱裝配，每對(duì)稱裝配兩層測量其厚度方向的尺寸公差，直至裝配完成的每組厚度方向的尺寸公差均與喇叭陣列及極化器陣列的尺寸精度匹配。若厚度超差，則加工處理厚度為正偏差的層，直至厚度方向的尺寸公差滿足精度要求。裝配厚度滿足要求后，通道腔體對(duì)正，喇叭陣列、極化器陣列與波束形成網(wǎng)絡(luò)按照“直銷孔粗定位→芯模精定位→擴(kuò)鉸錐銷孔”方式配對(duì)裝配，保證射頻通道內(nèi)腔同軸連續(xù)、配合面無間隙，完成裝配。擴(kuò)鉸后的錐銷孔定位，具有較高的復(fù)裝精度，可在各組件反復(fù)拆裝后保證較高的定位精度。高精度、高集成度饋源陣列波束形成網(wǎng)絡(luò)的裝配流程如圖7所示。

圖7 高精度、高集成度饋源陣列波束形成網(wǎng)絡(luò)裝配流程

5 結(jié)論

針對(duì)寬帶高增益背景需求下的多波束覆蓋應(yīng)用，對(duì)反射面天線多波束形成方案SFB及MFB進(jìn)行了比較分析。在綜合考慮饋電難度及星上布局空間的基礎(chǔ)上，針對(duì)單口徑每波束7饋源合成多波束饋源陣列饋電部件無源器件數(shù)量大、級(jí)聯(lián)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)包絡(luò)小、無法采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)加工等特點(diǎn)，從饋源陣列剖分設(shè)計(jì)、分層結(jié)構(gòu)的連接及壓緊設(shè)計(jì)、加工方案選擇及基于精度匹配的厚度補(bǔ)償裝配等方面開展了相關(guān)研究，提出的方法有效的解決了該類高集成度、高精度饋源陣列無法采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)、加工的的技術(shù)難題。采用剖分設(shè)計(jì)后的各分層結(jié)構(gòu)均為開放腔體，90%有高精度尺寸控制要求的饋電腔體尺寸均可以采用銑削的加工方法，提高了加工效率，降低了加工成本，同時(shí)有效地降低了加工及裝配難度，為該類饋源陣列在后續(xù)高性能寬帶高通量衛(wèi)星上的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。