南京电子技术研究所 江苏南京 210039
摘要：在雷达天线结构中，模块化发挥着重要的作用。模块化设计可有效提高产品设计效率，缩短产品设计周期，降低生产成本，并使设计经验得以有效传递和继承，以利于进一步提升产品的核心竞争力。文中以某相控阵雷达天线阵面结构设计为例，围绕天线阵面的轻量化设计、热设计、天线阵面内部单机互联等几方面，运用模块化设计技术，从雷达天线的设计方案到模块组件的形成介绍了模块化设计的基本设计思路和应用。
关键词：雷达天线；模块化；有源相控阵；结构设计
引言
现代战争对雷达性能要求越来越高，雷达设备既需要优异的探测能力，又需要很好的反探测能力（即隐身性）。雷达探测能力的影响因素很多，其中雷达天线的发射功率是主要因素之一，提高天线发射功率主要有电讯和结构2种方法。电讯方法主要是通过提高电子元器件性能来实现，存在一定的瓶颈，研发风险高；结构方法主要是通过结构设计，减少传输损耗来实现，研发风险低。雷达隐身能力的好坏，是通过测量雷达散射截面积（ＲCS）的大小来判断的，ＲCS越大，则隐身能力越差。减小ＲCS的方法有外形隐身技术和雷达吸波材料隐身技术。
1天线座模块化设计方案
天线座模块化设计时需综合考虑结构隐身性、通用性和整体造型，在满足雷达功能要求的前提下，对方位传动模块与俯仰传动模块进行设计改进。方位传动模块及俯仰传动模块设计涉及2个方面的内容：1）功能技术设计。模块设计在适应环境条件的前提下，要保证满足天线的转动范围、天线转动的角速度和角加速度、伺服系统的精度、天线座的刚度和强度、系统要求的外形尺寸和质量等要求，在本着经济性、通用性原则的基础上，最终实现设备使用方便、维修容易、可靠性高、寿命长等目的。2）模块化设计。根据需要选择相应的模块并设计相应的接口，同时考虑可扩展性，通过准修改或修改形成的新模块与原有模块组合即可派生新的系列成品。俯仰传动模块在功能上的不同主要体现在是否有轴端负载及方位驱动功率的大小。因此，俯仰传动模块可分为不带轴端负载（基本型）和轴端负载型。根据雷达使用对象及其环境的不同，又可将方位和俯仰模块分别划分为海用和陆用两种不同用途的模块。除上述模块外，天线座还包括锁定模块和缓冲器保护模块。现有锁定模块包括自动锁、手动锁两种，主要根据天线座架设位置的不同选择相应的锁模块。通常情况下，如果天线座架设较高，则配置相同机械接口自动锁。缓冲器保护模块主要依据伺服性能指标进行选配，其安装位置主要取决于伺服角度要求。综合进行整体造型和结构隐身性设计时，工艺实现性是重要的制约因素。在进行结构隐身性设计时，主要采取以下措施：1）尽量采用多平面设计，避免球面外形；2）在连接支撑部位尽量采用楔形或锯齿形结构，取代传统直角结构；3）外露安装结合部位尽量采用沉陷方式保证连接面平齐；4）尽量保证外连接面的连续性。
2大模块侧板天线结构设计
相控阵雷达天线阵面大模块（侧板天线）的构思和规划是根据雷达总体技术要求和设计规范划分的。结合相控阵雷达天线功能相同、结构相似的单机数量大，线缆连接比较多的结构设计特点，对天线阵面单机进行合并，划分为4块侧板天线。很显然，雷达天线阵面结构设计得到了简化。线框架正面，反面装电源组件、波控组件、功分器及高频电缆、低频电缆等，中间是天线框架，天线阵面Z向本体厚度小于100mm。侧板天线吊装接口和工装接口保持一致，天线框架选用高模量的碳纤维复合材料设计，提高了侧板天线阵面的刚度和强度，有效减轻了天线框架的重量。优化各单机的接口，确保各单机的装配可靠。
设计扩展设备接口，用于天线阵面组合，如某有源相控阵雷达天线就利用“展开机构”实现天线阵面的折叠和展开。利用有限元分析工具Pro/E、Ansys等设计软件，在初步设计的基础上建立三维模型，对其进行静力学、动力学分析和热力学分析，求出各种工况下的变形、应力分布、热分布特性等，找出主要部件的危险位置。根据分析结果优化结构参数，再循环计算分析，最终使结构设计完全满足预先分配的重量指标和刚度指标，并验证模块化设计结果的合理性。模块化设计的4块侧板天线结构布局完全相同，结构刚度、强度满足设计要求，有效减小了雷达天线的质量，每块质量小于210kg，是一个独立的相控阵雷达天线。模块装配容易，维修方便，具有通用性、系列化的特点，可以单独使用，也可根据不同用途对天线框架稍做改进。
3环境适应性分析
（1）隐身性分析。天线骨架外表面由圆锥面和斜平面组成，且对称分布，故抽取几个角度的仿真数据即可确定整体的指标是否满足要求。（2）抗力学性分析。天线的抗力学环境设计主要考虑天线骨架、天线罩和模块安装板的强度以及天线子单元安装面的平面度。天线使用的力学环境如下：1）天线在自重状态下保精度工作；2）天线在受45m/s风速时正常工作；3）天线在受60m/s风速时不被破坏；4）天线在受半正弦波、峰值加速度100m/s2、持续时间大于16ms的颠震环境下不被破坏。除天线骨架外，天线中其余所有受力结构件均选用防锈铝合金，其强度不低于300MPa；天线子单元安装面的变形小于1mm；为了避免共振，天线基频必须大于60Hz。（3）热设计分析。天线散热沿用了原循环通风装置方案。因发射系统发热量大，天线内发热量和热量分布在原天线基础上有很大变化，因此增加了天线内部的送风量，调整了天线送风口和回风口的位置。优化设计后利用软件仿真技术对天线内部进行了热学仿真分析，在环境温度65℃条件下，天线内设备最高温度为62．9℃，低于各设备极限工作温度，满足使用要求。
4子模块一体化天线模块结构设计
（1）模块布局设计。对一体化天线模块内的单机收发组件进行双通道集成设计，并采用盲配技术与辐射天线连接，减少电缆连接，以减少Z向厚度；对激励功分器与定标功分器进行综合设计，以减少单机品种；对辐射天线结构进行优化，以减少重量并提高刚度。（2）模块外形尺寸选取。外形尺寸要结合电性能设计选取，同时要兼顾原材料特性和机械加工设备能力，还要综合考虑生产过程的中转、包装、后续表面处理等，一般在500mm左右比较合适。本模块外形尺寸为484mm×320mm×42mm。（3）模块接口优化。首先，结合天线阵面系统设计分块（上述－X内侧板天线、－X外侧板天线、+X内侧板天线、+X外侧板天线），明确一体化天线模块和模块内单机的接口；其次，根据模块内单机布局及连接器的类型规划电缆的走线路径；然后从系统设计出发，设计一体化天线模块装配时形成的拼缝和接地接口；最后，重点关注收发组件的工作特性和全阵面的热设计要求，确定热管的安装接口。
结语
综上所述，优化结构设计以提高天线发射功率的方法对于雷达设备具有普遍指导意义，在实践中会遇到各种各样的困难，解决方法也不尽相同。模块具有特定的功能，满足轻量化设计要求，符合通用化、模块化、标准化的发展要求，提高了产品设计效率，缩短了产品研制周期，降低了研制、生产成本，并使设计经验得以传递和继承，具有一定的发展空间和应用前景。
参考文献：
［1］江守利，钟剑锋，冷同同，等．星载SAＲ功能结构一体化天线技术研究［J］．现代雷达，2017，39（4）：69－72．
［2］孟鹏．模块化雷达天线座结构设计［J］．机械设计与制造工程，2015，44（8）：62－63．