电子机械工程
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E l e c t r o -Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g
2009年第25卷第6期2009. V o l . 25N o . 6
毫米波相控阵雷达关键技术结构设计研究
王 雁
(南京电子技术研究所, 江苏南京210039)
*
摘 要:分析毫米波远程相控阵雷达的结构特点, 系统考虑毫米波雷达结构设计要求, 给出总体设计的原则, 统筹思考总体布局、指标分配、天线结构形式与工艺性。研究天线反射面精度和天线单元间的安装精度、馈线网络等关键技术的解决方案。提出未来大阵需要解决的主要结构问题。
关键词:毫米波; 雷达结构; 天线阵面; 精度中图分类号:T N 958. 92 文献标识码:B 文章编号:1008-5300(2009) 06-0014-04
AS t u d y o n S t r u c t u r a l D e s i g n o f M i l l i m e t e r -W a v e P h a s e d A r r a y R a d a r
WA N GY a n
(N a n j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y , Na n j i n g 210039, C h i n a )
A b s t r a c t :T h e S t r u c t u r e f e a t u r e s o f m i l l i m e t e r -w a v e l o n g r a n g e p h a s e d a r r a y r a d a r a r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r . T h e s t r u c t u r a l d e s i g n p r o b l e m s o f m i l l i m e t e r -w a v e p h a s e d a r r a y r a d a r f o r a l l p a r t s o f t h e r a d a r a r e c o n s i d e r e d , a g e n e r a l p r i n c i p l e o f d e s i g ni s s u g g e s t e d .O v e r a l l l a y o u t a n d d i s t r i b u t i o no f r e q u i r e m e n t s , f o r m o f a n t e n n a s t r u c t u r e , a n d m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g ya r e c o m p r e h e n s i v e l y p l a n e d . C o n c e p t s f o r s o l u t i o no f k e y t e c h n o l o g y p r o b l e m s o f a n t e n n a r e f l e c t o r a n d a s s e m b l i n g a c c u r a c y a n d f e e d l i n e s h a v e b e e n s t u d i e d . T h e s t r u c t u r e p r o b -l e m s o f f u t u r e l a r g e a n t e n n a a r r a y a r e p o i n t e d o u t . K e y w o r d s :m i l l i m e t e r -w a v e ; r a d a r s t r u c t u r e ; a n t e n n a a r r a y ; a c c u r a c y
0 引 言
毫米波雷达能进行高精度、高分辨率测量。毫米波雷达在当今太空时代占据重要的地位, 为了发展我国的反卫星武器、支撑我国的T M D 研究工作, 需要建造我国的毫米波远程相控阵雷达。
根据我国目前的毫米波器件水平和实际情况, 为紧跟世界先进水平, 完成对大功率毫米波发射机、天馈线、移相器、环行器、接收通道、波束控制电路等关键技术研究, 突破毫米波远程相控阵雷达小面阵天线的关键技术, 研制一部完整的毫米波相控阵雷达试验验证系统。在研究中要充分考虑到未来的需要, 以方便在进行最终系统研制的时候可以借鉴该验证系统中采用的成熟、可靠的技术手段和成果。结构上除完成演示系统设计外, 通过技术研究与关键技术攻关, 实现确保阵面精度、减小阵面体积、提高阵面大功率毫米波发射机小型化通风冷却效能、高功率馈线网络系统稳定性及传输结构设计、提高阵面可靠性和维修性等目的。
1 结构特点
毫米波远程相控阵雷达关键技术试验验证系统为
方便试验采用车载形式, 由一辆天线车和一辆设备车组成, 保证雷达系统的机动性、可靠性要求, 整体结构需紧凑合理, 满足公路整体运输要求。
从结构上来讲, 用于毫米波雷达演示系统的阵列天线与同口径普通雷达天线相比结构复杂、特别是天线反射面精度和天线单元间的安装精度高, 阵面箱内的馈线网络要解决波导走线、固定及维修等一系列问题, 以及高功率传输波导及器件的设计与加工; 大功率发射机需要解决小型化、通风散热、减震、安装在天线高频箱内的使用维修等问题; 天线座不仅要带动阵列天线进行搜索雷达所需的方位匀速转动, 还需带动阵列天线进行跟踪雷达所需的方位、俯仰加速运动, 具有方位、俯仰精密机械跟踪的能力, 能满足轴系精度和传动等要求, 因而在天线座结构上应具有精密跟踪雷达的特点。
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第6期王 雁:毫米波相控阵雷达关键技术结构设计研究
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2 结构总体设计原则
毫米波雷达工作频率高, 精度高, 波导等微波器件
小, 加工工艺要求特别高。因此在毫米波雷达总体方案论证、结构系统设计中总体布局、指标合理分配、天线结构形式与工艺性很重要, 要全盘考虑、统筹兼顾。
在研究中为紧跟世界先进水平, 并且根据我国目前的毫米波器件水平, 就需要处在电讯指标与结构工艺难度之间进行统筹兼顾; 另外, 在毫米波频段天馈系统造价昂贵, 这样在天线性能和成本两方面同样需要综合考虑。
电和半挂凹梁车组成, 如图2所示, 选用凹梁车有利于降低天线车装载高度, 天线、天线座布置在半挂车中间, 工作时, 天线座下面用三个座块与基础联接, 并将天线座与天线车的联接松开, 保证天线座的刚度, 减少变形, 提高固有频率。天线阵面设计为一个箱体结构, 天线为16个切角抛物面天线单元组成的阵面, 前面加天线罩减少风载荷、温度差产生的变形。设备车由方舱和载车组成, 方舱内装有机柜和控制台。
3 结构设计要点
3. 1 总体设计
结构系统设计主要根据研制任务要求进行总体布局, 指标分配, 仿真与计算, 环境适应性设计, 模块化集成化设计, 贯彻国标、国军标、行业标准, 保证雷达的功能、性能指标, 满足可靠性、使用性、维修性、安全性、外观、以及工艺和成本要求。主要研究内容如图1所示
。
图2 天线车外形图
3. 2 天线阵面
天线阵面由天线、发射机、接收网络、发射激励网络、接收监测网络、发射监测网络、收发波控、接收机前端, 冷却装置、天线罩、阵面箱体等组成。天线阵面的支承体系由天线箱体组成, 要有效地提高了阵面箱体的支承能力, 需保证箱体有足够的强度和刚度。
天线精度取决于天线单元及天线箱体加工和装配误差、检测误差、自重与风载荷、温度差等引起的变形误差, 一般取其均方根。对于大型天线结构变形较大, 对于毫米波天线精度要求很高, 提高加工精度成本高, 有时甚至成为不可能, 要达到精度不一定光着眼于提高加工精度, 一是要想办法消除自重变形, 二是尽量减少风载荷、温度差等引起的变形误差, 天线阵面需要进行保形设计, 减少自重变形, 加天线罩的办法来解决风载荷、温度差的变形。
3. 2. 1 天线单元
天线系统选择反射面天线阵形式, 在参考俄罗斯
图1 毫米波雷达总体设计的研究内容
的“RU Z A ”相控阵雷达天线的基础上, 采用抛物面天线子阵形式。采用这种天线形式, 结构设计和加工都可以利用成熟工艺, 天线反射面和馈源的加工使用了精密数控铣床, 形面精度可以达到技术要求。
天线结构采用4×4天线单元组成的小面阵, 如图3所示, 天线单元采用双反射面天线(卡塞格伦天线) , 如图4所示, 单元孔径为圆形, 直径400m m 。天线馈源采用多模圆锥喇叭天线制作, 以便实现两个主面波瓣等化, 天线阵背面为阵面箱体。因此设计中自重变, 与其它频段雷达相比, 毫米波雷达固有的特点决定了指标合理分配在结构设计中的特殊性, 总精度指标分配时要合理、匹配, 在严格控制制造误差, 提高加工精度、减小装配误差的同时, 充分考虑天线车和天线阵面的布局及受力状态, 并进行力学分析, 有意减小或消除变形误差。如果没有充分重视变形误差, 只注重提高加工精度, 那将会成本大增。
毫米波相控阵雷达试验验证系统划分为天线车和
,
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加工中是不希望的, 因此设计中有意增强后骨架。
表1 天线单元部件加工误差要求 部 件 主反射面 副反射面 主-副面轴向误差
主-副面旋转轴 横向偏移
不平行度 馈源-主面旋转轴 横向偏移 不平行度
图3 天线子阵
加工均方误差 0. 04m m 0. 02m m 0. 2m m 0. 2m m 5′ 0. 2m m 5′
整个高频箱焊接后, 再在数控机床上加工, 加工工艺中的防变形定位装夹设计, 减少加工变形, 保证俯仰轴的轴套、侧面法兰及16个天线安装面间的位置关系与加工精度。
3. 2. 3 馈线大功率馈线网络
天线阵面中比较复杂的就是馈线网络, 由于毫米波的频率高, 系统稳定性及传输损耗要求高, 故大部分单元之间的连接采用波导的连接方式。馈线网络主要由波导元件、环行器、功分器、正交模耦合器、极化器及方圆变换等组成, 如图5所示。由于毫米波馈线波导较细, 很容易变形, 馈电网络合理布置, 解决波导走线、固定至关重要。安装调试中要特别注意, 同时要加辅助支撑和保护措施, 避免损坏。
单元的变形、温度差的变形。
反射面的误差对天线性能的影响, 根据R u z e 公式, 一般取均方根误差为λ/30~λ/60(λ为波长) , 最短工作波长, 表面均方根误差也可取为λ/16~λ/20。该阵平面均方根误差取≤0. 2m m , 各单元几何纵轴指向不平行度≤5′。为了获得良好的单元波瓣, 对天线的加工精度作了严格控制, 有关数据列于表1中, 其中主反射面和副反射面的加工精度至关重要, 因此给予较为严格的公差控制, 主反射面均方误差为0. 04m m , 副反射面尺寸较小, 加工较主面容易, 副面的误差取主面误差的1/2, 均方误差取0. 02m m , 按均方根合成时, 副面误差这一项就几乎可以忽略。箱体俯仰轴的轴套、侧面法兰及天线单元的安装基准面一次机加工完成, 保证天线单元的安装基准面平面度小于0. 1m m , 其它部件的误差控制相对宽松, 以适当减小加工的压力, 此外通过一些微调机构来调整部分部件的相对位置, 使天线单元波瓣性能达到最佳
。
图5 毫米波馈线收发网络
为了满足发射机的维修性及天线单元附近有源器件的维修性, 将馈线网络安装在天线单元与发射机之间, 这样发射机可以从门一侧取出, 而天线单元可以与阵面骨架采用螺钉连接, 拆下天线单元后, 即可维修天
图4 反射面天线单元
3. 2. 2 阵面箱体
整个天线箱体由框架和钢板等组成, 框架的左右部分是主要受力部件, 其中装有天线座俯仰轴的轴套, 天线阵面通过轴套、侧面法兰和俯仰轴连接。框架的前面为精加工安装定位面, 安装由16个天线单元反射面组成的天线阵列, 后面为门, 并设计有四个通风窗。前面
, , , 线阵面前部的有源器件。
毫米波馈线的加工工艺要求很高, 如尺寸公差、表面光洁度等, 因此馈线系统中大功率环流器、双T 、正交模耦合器、圆极化器、圆极化移相器、方圆波导变换及系统连接、波导内表面处理等都是需要认真解决其关键技术。通过微波软件仿真计算结合误差分析, 可以得出毫米波器件的常规加工精度要求, 采用电铸结。
第6期王 雁:毫米波相控阵雷达关键技术结构设计研究
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3. 2. 4 发射机
发射机为一个行波管发射机, 发射机采用特制小型
机箱。除行波管外, 低压电源组件、控保组件、触发电源组件做成插件模式以便于维修, 灯丝调制电源、调制器、高压电源组件考虑绝缘和散热性能密封于高压油箱内, 使可靠性大大增高。根据行波管需要, 收集极散热风机采用小体积、高风压400H z 风机进行强制风冷。
由于发射机出口的密封窗口为非金属密封材料, 非常薄, 功率过高, 振动、安装中不小心, 三方面都可能造成密封窗损坏漏气。因此发射机要隔振设计, 发射机出口波导和密封窗口固定支撑要与发射机一体固定, 固定夹支撑要牢固, 不能有相对运动。
3. 3 天线座
天线座结构形式为方位转台式结构和俯仰支臂式支承结构, 天线座由方位转动部分、方位固定部分和俯仰转动部分、俯仰固定部分组成, 方位转台与底座之间安装大型交叉滚锥式回转轴承, 同时承受轴向和径向的载荷, 具有较大的抗倾覆能力, 有利于提高轴系精度和结构支承刚度。俯仰部分由左右俯仰支臂、轴承座、电机、左右俯仰轴头、缓冲器等组成。左右轴头与天线箱体骨架通过法兰相联接, 构成俯仰组合轴。俯仰支承采用了一端轴向固定、一端轴向游动的结构形式, 以消除热胀冷缩导致的轴向变形, 固定端选用圆锥滚子轴承背靠背对锁, 自由端采用两只圆柱滚子轴承承载。这种支承型式可以通过轴向预紧来提高支承刚性, 能承受较大的径向、轴向载荷。天线座轴系精度对雷达跟踪和测量精度有影响, 天线座轴系精度取决于天线座在制造和安装过程中产生的静态误差和天线座在各种载荷作用下产生的动态误差, 包括惯性载荷, 风载荷等引起的结构变形误差。
经分析计算, 方位轴对大地垂直度误差:
αα+α+α+α+α=11″A =
俯仰轴与方位轴垂直度误差:αE ⊥A=
ααααα1+3+4+α5+6+7=12″
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阵面内发射、接收设备及各有源器件、馈线网络、冷却设备等相应的设备量也成倍的增加, 进而要求天线阵面和天线座的承载量和具体尺寸也会有相应的改进。
首先需要考虑的是大尺寸天线阵面精度问题, 对于大口径天线, 除了加工精度, 更要解决拼装精度, 结构形式和装配方式要能合理分块可靠拼装, 保证天线单元之间的安装精度需要特殊的设计, 满足天线阵面总体水平的精度要求; 阵面箱体精加工的变形也是一个问题, 也需要在设计和加工时采取措施予以消除, 如工艺中的防变形定位装夹设计, 精密连接夹具设计; 另外, 对于大型天线, 在重力的作用下必然产生变形, 需要进行保形设计。
其次考虑到恶劣天气对大尺寸天线阵面的精度影响, 未来的完整系统还要有高精度、低损耗的球截球面天线罩, 对此类大结构尺寸的天线罩及其材料选择还需研究。
天线阵面中如此多的网络和设备, 发射单元将产生巨大的热量, 散热冷却及其设备小型化将是一个结构设计的重点和难点。馈线网络、发射机的维修性、可靠性, 尤其是巨大的馈线网络波导的固定方法还需探讨, 避免馈线损坏或变形。
5 结 语
毫米波雷达是一个新的领域, 结构设计要用新理念、新材料、新结构、新工艺、现代设计手段进行系统设计。通过毫米波远程相控阵雷达关键技术研究, 虽然已经获得了一些关键技术的设计、加工及调试经验, 但还需要不断的探索。参考文献:
[1] 向敬成, 张明友. 毫米波雷达及其应用[M ]. 北京:国防
工业出版社, 2005
[2] 谢义水, 等. 毫米波平板隙缝阵天线工艺设计与制造
[J ]. 电讯技术, 2008, 48(12) :87-89
[3] 石星. 毫米波雷达的应用和发展[J ]. 电讯技术, 2006, 46
(1) :1-9
[4] 丁晓磊. 毫米波多模单脉冲天馈系统的研制[J ]. 遥测
遥控, 2004, 25(5) :22-26
其中:αα1为方位轴晃动误差; 2为天线座安装水平误
差; αα3为方位底座上轴承安装平面的平面度; 4为转台上下面的平面度; αα5为俯仰轴水平度; 6为转台变形; α7为左右支臂变形。
方位和俯仰轴系误差均满足轴系精度20″要求。
4 未来毫米波远程相控阵雷达结构上需考虑的主要问题
在未来完整系统的开发中, 其天线口径增大, 同时
作者简介:王 雁(1964-) , 女, 硕士, 研究员高工, 研究方向为机械设计与优化, 主要从事雷达结构总体设计工作。
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毫米波相控阵雷达关键技术结构设计研究
王 雁
(南京电子技术研究所, 江苏南京210039)
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摘 要:分析毫米波远程相控阵雷达的结构特点, 系统考虑毫米波雷达结构设计要求, 给出总体设计的原则, 统筹思考总体布局、指标分配、天线结构形式与工艺性。研究天线反射面精度和天线单元间的安装精度、馈线网络等关键技术的解决方案。提出未来大阵需要解决的主要结构问题。
关键词:毫米波; 雷达结构; 天线阵面; 精度中图分类号:T N 958. 92 文献标识码:B 文章编号:1008-5300(2009) 06-0014-04
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WA N GY a n
(N a n j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y , Na n j i n g 210039, C h i n a )
A b s t r a c t :T h e S t r u c t u r e f e a t u r e s o f m i l l i m e t e r -w a v e l o n g r a n g e p h a s e d a r r a y r a d a r a r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r . T h e s t r u c t u r a l d e s i g n p r o b l e m s o f m i l l i m e t e r -w a v e p h a s e d a r r a y r a d a r f o r a l l p a r t s o f t h e r a d a r a r e c o n s i d e r e d , a g e n e r a l p r i n c i p l e o f d e s i g ni s s u g g e s t e d .O v e r a l l l a y o u t a n d d i s t r i b u t i o no f r e q u i r e m e n t s , f o r m o f a n t e n n a s t r u c t u r e , a n d m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g ya r e c o m p r e h e n s i v e l y p l a n e d . C o n c e p t s f o r s o l u t i o no f k e y t e c h n o l o g y p r o b l e m s o f a n t e n n a r e f l e c t o r a n d a s s e m b l i n g a c c u r a c y a n d f e e d l i n e s h a v e b e e n s t u d i e d . T h e s t r u c t u r e p r o b -l e m s o f f u t u r e l a r g e a n t e n n a a r r a y a r e p o i n t e d o u t . K e y w o r d s :m i l l i m e t e r -w a v e ; r a d a r s t r u c t u r e ; a n t e n n a a r r a y ; a c c u r a c y
0 引 言
毫米波雷达能进行高精度、高分辨率测量。毫米波雷达在当今太空时代占据重要的地位, 为了发展我国的反卫星武器、支撑我国的T M D 研究工作, 需要建造我国的毫米波远程相控阵雷达。
根据我国目前的毫米波器件水平和实际情况, 为紧跟世界先进水平, 完成对大功率毫米波发射机、天馈线、移相器、环行器、接收通道、波束控制电路等关键技术研究, 突破毫米波远程相控阵雷达小面阵天线的关键技术, 研制一部完整的毫米波相控阵雷达试验验证系统。在研究中要充分考虑到未来的需要, 以方便在进行最终系统研制的时候可以借鉴该验证系统中采用的成熟、可靠的技术手段和成果。结构上除完成演示系统设计外, 通过技术研究与关键技术攻关, 实现确保阵面精度、减小阵面体积、提高阵面大功率毫米波发射机小型化通风冷却效能、高功率馈线网络系统稳定性及传输结构设计、提高阵面可靠性和维修性等目的。
1 结构特点
毫米波远程相控阵雷达关键技术试验验证系统为
方便试验采用车载形式, 由一辆天线车和一辆设备车组成, 保证雷达系统的机动性、可靠性要求, 整体结构需紧凑合理, 满足公路整体运输要求。
从结构上来讲, 用于毫米波雷达演示系统的阵列天线与同口径普通雷达天线相比结构复杂、特别是天线反射面精度和天线单元间的安装精度高, 阵面箱内的馈线网络要解决波导走线、固定及维修等一系列问题, 以及高功率传输波导及器件的设计与加工; 大功率发射机需要解决小型化、通风散热、减震、安装在天线高频箱内的使用维修等问题; 天线座不仅要带动阵列天线进行搜索雷达所需的方位匀速转动, 还需带动阵列天线进行跟踪雷达所需的方位、俯仰加速运动, 具有方位、俯仰精密机械跟踪的能力, 能满足轴系精度和传动等要求, 因而在天线座结构上应具有精密跟踪雷达的特点。
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2 结构总体设计原则
毫米波雷达工作频率高, 精度高, 波导等微波器件
小, 加工工艺要求特别高。因此在毫米波雷达总体方案论证、结构系统设计中总体布局、指标合理分配、天线结构形式与工艺性很重要, 要全盘考虑、统筹兼顾。
在研究中为紧跟世界先进水平, 并且根据我国目前的毫米波器件水平, 就需要处在电讯指标与结构工艺难度之间进行统筹兼顾; 另外, 在毫米波频段天馈系统造价昂贵, 这样在天线性能和成本两方面同样需要综合考虑。
电和半挂凹梁车组成, 如图2所示, 选用凹梁车有利于降低天线车装载高度, 天线、天线座布置在半挂车中间, 工作时, 天线座下面用三个座块与基础联接, 并将天线座与天线车的联接松开, 保证天线座的刚度, 减少变形, 提高固有频率。天线阵面设计为一个箱体结构, 天线为16个切角抛物面天线单元组成的阵面, 前面加天线罩减少风载荷、温度差产生的变形。设备车由方舱和载车组成, 方舱内装有机柜和控制台。
3 结构设计要点
3. 1 总体设计
结构系统设计主要根据研制任务要求进行总体布局, 指标分配, 仿真与计算, 环境适应性设计, 模块化集成化设计, 贯彻国标、国军标、行业标准, 保证雷达的功能、性能指标, 满足可靠性、使用性、维修性、安全性、外观、以及工艺和成本要求。主要研究内容如图1所示
。
图2 天线车外形图
3. 2 天线阵面
天线阵面由天线、发射机、接收网络、发射激励网络、接收监测网络、发射监测网络、收发波控、接收机前端, 冷却装置、天线罩、阵面箱体等组成。天线阵面的支承体系由天线箱体组成, 要有效地提高了阵面箱体的支承能力, 需保证箱体有足够的强度和刚度。
天线精度取决于天线单元及天线箱体加工和装配误差、检测误差、自重与风载荷、温度差等引起的变形误差, 一般取其均方根。对于大型天线结构变形较大, 对于毫米波天线精度要求很高, 提高加工精度成本高, 有时甚至成为不可能, 要达到精度不一定光着眼于提高加工精度, 一是要想办法消除自重变形, 二是尽量减少风载荷、温度差等引起的变形误差, 天线阵面需要进行保形设计, 减少自重变形, 加天线罩的办法来解决风载荷、温度差的变形。
3. 2. 1 天线单元
天线系统选择反射面天线阵形式, 在参考俄罗斯
图1 毫米波雷达总体设计的研究内容
的“RU Z A ”相控阵雷达天线的基础上, 采用抛物面天线子阵形式。采用这种天线形式, 结构设计和加工都可以利用成熟工艺, 天线反射面和馈源的加工使用了精密数控铣床, 形面精度可以达到技术要求。
天线结构采用4×4天线单元组成的小面阵, 如图3所示, 天线单元采用双反射面天线(卡塞格伦天线) , 如图4所示, 单元孔径为圆形, 直径400m m 。天线馈源采用多模圆锥喇叭天线制作, 以便实现两个主面波瓣等化, 天线阵背面为阵面箱体。因此设计中自重变, 与其它频段雷达相比, 毫米波雷达固有的特点决定了指标合理分配在结构设计中的特殊性, 总精度指标分配时要合理、匹配, 在严格控制制造误差, 提高加工精度、减小装配误差的同时, 充分考虑天线车和天线阵面的布局及受力状态, 并进行力学分析, 有意减小或消除变形误差。如果没有充分重视变形误差, 只注重提高加工精度, 那将会成本大增。
毫米波相控阵雷达试验验证系统划分为天线车和
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电子机械工程第25卷
加工中是不希望的, 因此设计中有意增强后骨架。
表1 天线单元部件加工误差要求 部 件 主反射面 副反射面 主-副面轴向误差
主-副面旋转轴 横向偏移
不平行度 馈源-主面旋转轴 横向偏移 不平行度
图3 天线子阵
加工均方误差 0. 04m m 0. 02m m 0. 2m m 0. 2m m 5′ 0. 2m m 5′
整个高频箱焊接后, 再在数控机床上加工, 加工工艺中的防变形定位装夹设计, 减少加工变形, 保证俯仰轴的轴套、侧面法兰及16个天线安装面间的位置关系与加工精度。
3. 2. 3 馈线大功率馈线网络
天线阵面中比较复杂的就是馈线网络, 由于毫米波的频率高, 系统稳定性及传输损耗要求高, 故大部分单元之间的连接采用波导的连接方式。馈线网络主要由波导元件、环行器、功分器、正交模耦合器、极化器及方圆变换等组成, 如图5所示。由于毫米波馈线波导较细, 很容易变形, 馈电网络合理布置, 解决波导走线、固定至关重要。安装调试中要特别注意, 同时要加辅助支撑和保护措施, 避免损坏。
单元的变形、温度差的变形。
反射面的误差对天线性能的影响, 根据R u z e 公式, 一般取均方根误差为λ/30~λ/60(λ为波长) , 最短工作波长, 表面均方根误差也可取为λ/16~λ/20。该阵平面均方根误差取≤0. 2m m , 各单元几何纵轴指向不平行度≤5′。为了获得良好的单元波瓣, 对天线的加工精度作了严格控制, 有关数据列于表1中, 其中主反射面和副反射面的加工精度至关重要, 因此给予较为严格的公差控制, 主反射面均方误差为0. 04m m , 副反射面尺寸较小, 加工较主面容易, 副面的误差取主面误差的1/2, 均方误差取0. 02m m , 按均方根合成时, 副面误差这一项就几乎可以忽略。箱体俯仰轴的轴套、侧面法兰及天线单元的安装基准面一次机加工完成, 保证天线单元的安装基准面平面度小于0. 1m m , 其它部件的误差控制相对宽松, 以适当减小加工的压力, 此外通过一些微调机构来调整部分部件的相对位置, 使天线单元波瓣性能达到最佳
。
图5 毫米波馈线收发网络
为了满足发射机的维修性及天线单元附近有源器件的维修性, 将馈线网络安装在天线单元与发射机之间, 这样发射机可以从门一侧取出, 而天线单元可以与阵面骨架采用螺钉连接, 拆下天线单元后, 即可维修天
图4 反射面天线单元
3. 2. 2 阵面箱体
整个天线箱体由框架和钢板等组成, 框架的左右部分是主要受力部件, 其中装有天线座俯仰轴的轴套, 天线阵面通过轴套、侧面法兰和俯仰轴连接。框架的前面为精加工安装定位面, 安装由16个天线单元反射面组成的天线阵列, 后面为门, 并设计有四个通风窗。前面
, , , 线阵面前部的有源器件。
毫米波馈线的加工工艺要求很高, 如尺寸公差、表面光洁度等, 因此馈线系统中大功率环流器、双T 、正交模耦合器、圆极化器、圆极化移相器、方圆波导变换及系统连接、波导内表面处理等都是需要认真解决其关键技术。通过微波软件仿真计算结合误差分析, 可以得出毫米波器件的常规加工精度要求, 采用电铸结。
第6期王 雁:毫米波相控阵雷达关键技术结构设计研究
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3. 2. 4 发射机
发射机为一个行波管发射机, 发射机采用特制小型
机箱。除行波管外, 低压电源组件、控保组件、触发电源组件做成插件模式以便于维修, 灯丝调制电源、调制器、高压电源组件考虑绝缘和散热性能密封于高压油箱内, 使可靠性大大增高。根据行波管需要, 收集极散热风机采用小体积、高风压400H z 风机进行强制风冷。
由于发射机出口的密封窗口为非金属密封材料, 非常薄, 功率过高, 振动、安装中不小心, 三方面都可能造成密封窗损坏漏气。因此发射机要隔振设计, 发射机出口波导和密封窗口固定支撑要与发射机一体固定, 固定夹支撑要牢固, 不能有相对运动。
3. 3 天线座
天线座结构形式为方位转台式结构和俯仰支臂式支承结构, 天线座由方位转动部分、方位固定部分和俯仰转动部分、俯仰固定部分组成, 方位转台与底座之间安装大型交叉滚锥式回转轴承, 同时承受轴向和径向的载荷, 具有较大的抗倾覆能力, 有利于提高轴系精度和结构支承刚度。俯仰部分由左右俯仰支臂、轴承座、电机、左右俯仰轴头、缓冲器等组成。左右轴头与天线箱体骨架通过法兰相联接, 构成俯仰组合轴。俯仰支承采用了一端轴向固定、一端轴向游动的结构形式, 以消除热胀冷缩导致的轴向变形, 固定端选用圆锥滚子轴承背靠背对锁, 自由端采用两只圆柱滚子轴承承载。这种支承型式可以通过轴向预紧来提高支承刚性, 能承受较大的径向、轴向载荷。天线座轴系精度对雷达跟踪和测量精度有影响, 天线座轴系精度取决于天线座在制造和安装过程中产生的静态误差和天线座在各种载荷作用下产生的动态误差, 包括惯性载荷, 风载荷等引起的结构变形误差。
经分析计算, 方位轴对大地垂直度误差:
αα+α+α+α+α=11″A =
俯仰轴与方位轴垂直度误差:αE ⊥A=
ααααα1+3+4+α5+6+7=12″
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阵面内发射、接收设备及各有源器件、馈线网络、冷却设备等相应的设备量也成倍的增加, 进而要求天线阵面和天线座的承载量和具体尺寸也会有相应的改进。
首先需要考虑的是大尺寸天线阵面精度问题, 对于大口径天线, 除了加工精度, 更要解决拼装精度, 结构形式和装配方式要能合理分块可靠拼装, 保证天线单元之间的安装精度需要特殊的设计, 满足天线阵面总体水平的精度要求; 阵面箱体精加工的变形也是一个问题, 也需要在设计和加工时采取措施予以消除, 如工艺中的防变形定位装夹设计, 精密连接夹具设计; 另外, 对于大型天线, 在重力的作用下必然产生变形, 需要进行保形设计。
其次考虑到恶劣天气对大尺寸天线阵面的精度影响, 未来的完整系统还要有高精度、低损耗的球截球面天线罩, 对此类大结构尺寸的天线罩及其材料选择还需研究。
天线阵面中如此多的网络和设备, 发射单元将产生巨大的热量, 散热冷却及其设备小型化将是一个结构设计的重点和难点。馈线网络、发射机的维修性、可靠性, 尤其是巨大的馈线网络波导的固定方法还需探讨, 避免馈线损坏或变形。
5 结 语
毫米波雷达是一个新的领域, 结构设计要用新理念、新材料、新结构、新工艺、现代设计手段进行系统设计。通过毫米波远程相控阵雷达关键技术研究, 虽然已经获得了一些关键技术的设计、加工及调试经验, 但还需要不断的探索。参考文献:
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其中:αα1为方位轴晃动误差; 2为天线座安装水平误
差; αα3为方位底座上轴承安装平面的平面度; 4为转台上下面的平面度; αα5为俯仰轴水平度; 6为转台变形; α7为左右支臂变形。
方位和俯仰轴系误差均满足轴系精度20″要求。
4 未来毫米波远程相控阵雷达结构上需考虑的主要问题
在未来完整系统的开发中, 其天线口径增大, 同时
作者简介:王 雁(1964-) , 女, 硕士, 研究员高工, 研究方向为机械设计与优化, 主要从事雷达结构总体设计工作。