平板裂缝天线结构设计

平板裂缝天线结构设计

洪　涛

(中国电子科技集团第38研究所,安徽合肥230031)

St ruct ure Design of t he Plate Slot Array Antenna

H ONG T ao

(No.38Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation ,Hefei 230031,China )

摘要:针对平板裂缝天线的特点,介绍了该天线的结构设计思路,特别强调了应考虑结构设计的可制造性.通过设计实例,验证了Pro/E 三维软件非常适合于作为平板裂缝天线的设计平台,有效地提高了设计效率和设计质量.

关键词:平板裂缝天线;结构设计;可制造性;Pro/E

中图分类号:TN821文献标识码:B

文章编号:1001-2257(2009)08-0076-02收稿日期:2009-02-27

Abstract :In view of t he feat ure of t he plate slotted -array antenna ,t he paper int roduces t he st ruct ural design of t he antenna ,especially discus 2ses t he question t hat must be considered in t he manufact uring of t he struct ural design.U sing t he Pro/E software ,t he plate slotted -array antenna can be designed easily and finely.

K ey w ords :plate slot -array antenna ;st ruct ur 2al design ;manufact uring ;Pro/E

0　引言

在雷达和微波通信系统中,平板裂缝天线获得了越来越广泛的应用.它具有效率高、天线增益高、副瓣低、体积小、重量轻、结构紧凑和薄壁高精度等特点.平板裂缝天线加工的工艺性和电性能好坏,与天线的结构设计有着密不可分的联系.因此提出了应用Pro/E 软件,一体化设计该天线的方法.

1　结构设计

某型雷达平板裂缝天线由12根宽边带辐射缝

的辐射线源、馈电波导、功分网络和阶梯变换波导组成.辐射线源之间的公共壁厚1.5mm ,开有辐射缝的波导壁厚1mm.根据雷达的使用要求,该天线外形要尽可能小,重量尽可能轻,强度和刚度满足机载环境要求.根据电讯的要求,辐射缝、耦合缝和波导口径的精度要求高,天线辐射面的平面度均方根误差要小于0.2mm.

平板裂缝天线结构上的显著特点是多层、空腔和薄壁,结构紧凑复杂,精度要求高.其结构设计首先是根据天线的工作状态和结构机械性能要求,结构可靠性要求,外形大小和设备组成,确定高度集成的一体化设计思想.其次,综合考虑精度、强度、刚度、可制造性和经济性的要求,选择满足要求的合适材料和准备采用的制造方法.然后根据前面的考虑,将天线从结构上分解成合适数量的零件.最后,用Pro/E 作为设计平台,进行工程设计.

根据系统设计思路,在某型雷达平板裂缝天线的结构设计中,将天线分成5个薄壁、腔体零件,再焊接成形.天线的外形尺寸为400mm ×200mm ×50mm ,如图1所示

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图1　平板裂缝天线

2　可制造性

平板裂缝天线结构复杂,目前国内通常以数控

铣薄壁加工零件,装配后采用盐浴焊、真空钎焊整体焊接成形.针对某型雷达平板裂缝天线外形尺寸比

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较小,采用了高速切削加工技术加工平板裂缝天线的薄壁、腔体类零件,用定位销和工装装配定位夹紧后,真空钎焊整体焊接成形.

2.1　材料的可加工性

波导器件传统上用铜材和铝材加工制作,近年来随着技术的发展,也出现了用碳纤维复合材料制作的波导.机载雷达有一个非常重要的指标要求,就是天线体积小、重量轻,可用碳纤维复合材料和铝材制作平板裂缝天线.

碳纤维复合材料的比强度、比刚度、热膨胀系数和抗疲劳能力等均优于铝合金.但是平板裂缝天线的结构非常复杂,精度要求很高,波导口径的精度一般为±0.03mm,用碳纤维复合材料制造技术难度大,工艺技术复杂,经济成本很高.

由于L F21,LD31铝合金材料的固相线温度比其它铝合金高,比较适合高温的真空钎焊.LD31铝合金加工性能、抗腐蚀性能和导电性好,力学性能良好,热处理强化后,抗拉强度可由130MPa提高到220M Pa,屈服强度由50M Pa增至150M Pa[1]. L F21铝合金加工性能、抗腐蚀性能和导电性好,不能热处理强化,有较高的疲劳强度,热轧状态下最小抗拉强度为110M Pa.

从工艺技术的难易程度、强度指标、重量指标和经济性等方面考虑,选用铝合金材料制造天线,工艺相对简单,经济性优于碳纤维复合材料.由于我所长期使用L F21铝合金材料从事生产加工和真空钎焊,积累了丰富的生产经验,再加上该型雷达天线尺寸不大,铝质天线的重量约600g,选用L F21铝合金完全满足强度要求.

2.2　加工效率和精度控制

某型雷达平板裂缝天线从结构上分成5层,每1层为1个薄壁、腔体零件.这些薄壁、腔体零件均采用厚铝板,用高速切削加工技术加工.高速切削加工的优点是:效率高、精度高、表面质量高及加工引起的变形较小.这些优点决定了它非常适合于加工薄壁、腔体类零件[2].这样加工出来的零件,波导口径精度高,表面质量好,平面度高.

真空钎焊是为适应现代工业的需要而发展起的一种较新的钎焊方法,近年来,在各种微波器件中已逐渐开始应用.真空钎焊同盐浴钎焊相比,具有以下优点:无毒和无污染;接头具有优良的机械性能和抗腐蚀性能;在真空中加热,没有氧化问题;精度高;加热均匀,变形量小,可以做到焊后不修整.

在确定了制造零件材料、加工技术和天线的焊接方法后,为便于切削加工,提高焊接质量和保证天线精度,零件结构设计时,还应考虑以下几个问题:

a.天线分层形成零件时,要考虑真空钎焊的特点.天线焊接时,要水平放置,从上到下共5层.真空钎焊时,每层之间的焊接面放置焊片,焊接面要与地面水平,这样形成的焊缝质量才高.所以,在考虑天线分层形成零件时,要保证每层之间的分界面必须在一个水平面上.

b.天线分层形成零件时,要考虑高速切削加工的特点.阶梯变换波导内腔内的台阶要与波导腔一起加工,加工好后,与盖板焊接在一起,形成阶梯变换波导.某型雷达系统由于整机安装的需要,要求天线的输出法兰面与辐射面平行.波导从水平状态转变为垂直状态的过渡处,有一个45°倾角,这个倾角要与波导腔一起加工.设计零件时,这样做可以使零件便于切削加工,焊接面保证在一个水平面上,焊缝质量好.

c.零件设计时,要考虑真空钎焊加热过程中对天线精度的影响.为增强天线整体的强度和刚度,在第2层(从下往上数)辐射线源的盖板上有功分网络的支撑.为减轻重量,这个支撑的截面形状是个槽形,与第3层带有功分网络腔体的盖板就组成了个封闭腔.天线焊接时,封闭腔内的气体无法抽出.加热时,气体膨胀,影响焊接后的天线精度.所以,设计该零件时,要在槽形支撑的壁上开几处2～3mm宽的缺口.零件组装成天线准备焊接时,要保证天线内没有完全封闭的腔体.

为了保证定位精度和控制焊接过程中的变形,将5个零件用定位销和工装装配定位夹紧.用真空钎焊的方法整体焊接成形后,除了铣去定位销和多余的材料外,辐射面不再加工.经测量,天线辐射面的平面度均方根误差小于0.2mm的指标要求.经电讯人员测试,天线电性能满足指标要求.

所以,设计的结构应便于高速切削和真空钎焊,充分发挥这2种加工技术的优点,生产过程中再辅以必要的工装夹具,既可以保证平板裂缝天线的精度,又可提高加工效率.

3　计算机辅助设计及仿真

运用Pro/E[3]三维设计软件设计平板裂缝天线,

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