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文档简介
一种机载SAR有源相控阵天线结构设计获奖科研报告摘
要:设计了一种机载SAR有源相控阵天线的结构,论述了设计难点和解决的途径,通过集成化设计技术实现了设计指标要求。采用热、力学仿真手段验证了天线的环境适应性,结果表明,设计方案是可行的。
关键词:机载SAR;有源相控阵天线;结构设计
1前言
根据SAR的发展历程及未来的需求,具有超高分辨率的轻量级SAR会成为主要趋势[1]。高频段有源相控阵天线往往能够实现较高的分辨率,同时具有结构尺寸小、集成度高、重量轻等优点,符合未来机载SAR的发展需求。然而相比较于长波天线或者无源天线,小尺寸、高集成度、轻量化有源天线的结构设计,更多情况下,面临的是如何解决产品的热力学环境适应性的问题。
本文介绍了一种机载SAR二维有源相控阵天线的结构设计方案,围绕集成化设计思路,采取了一系列设计举措,实现了各项设计指标要求。
2天线组成及主要设计指标
某机载SAR雷达采用有源相控阵体制,天线部分集成了大量电子设备,主要包括天线辐射阵面、可扩充阵列模块(以下简称:SAM模块)、天线框架、阵面电源、延迟放大组件、波控分机、校正网络、功分网络等。
为匹配载机平台电子设备舱的布局特点,雷达各组成部分分别安装于不同部位,其中天线部分刚性安装于载机背部侧面,装机后天线不能转动。主要设计指标如表1所示。
3天线结构设计
3.1系统总体架构设计
综合考虑辐射阵面精度以及设备维护性等因素,有源相控阵天线的系统架构总体上采用SAM模块后插的方式,设备集成主要依托天线框架,天线辐射阵面布置于天线框架前端,SAM、阵面电源布置于天线框架内部,波控分机布置于在下端面外部,馈线网络布置于上端面外部,如下图1所示。
3.2核心部件结构设计
3.2.1天线辐射阵面
天线辐射阵面采用开口双脊波导天线阵,全阵面共768个辐射单元,辐射单元间距约为10mm。阵面背部每行辐射单元下方均集成一根校正波导,共16根校正波导。
高频段天线阵面通常分块设计,这样便于保证单块天线子阵面的精度,全阵面的精度可通过总装的过程控制保证。然而,随着天线频段不断增高,天线辐射单元间距也会随之减小,就本文所述天线辐射阵面来说,受辐射单元间距和开口波导尺寸的影响,相邻辐射单元之间的壁厚已经无法进行分块,只能整体设计和制造,虽然制造难度有所增加,但是天线辐射阵面的精度指标和结构性能得到了更好的保证。
3.2.2
SAM模块
SAM模块的体积、重量、发热量在天线中所占比例最大,是整个天线的核心部件,主要由组件1、组件2、组件3、多功能板以及盒体等部分组成,8个组件1对称地布置在盒体的两侧,组件2、组件3、多功能板布置在T/R组件后面。T/R组件的射频输出端经SMP与天线辐射单元连接。
为了保证SAM、阵面电源盲插拔的可靠性,它们的机械接口、电接口、液接口的位置精度要求较高,不能低于±0.05毫米。在这些接口中,定位精度要求最高的是液接口,因此在定位销的布置和精度要求上优先考虑液接口的要求,两个定位销分为一主一辅,避免造成过定位。
3.2.3天线框架
天线框架是天线的主承力部件,不仅为各组成部分提供安装接口,同时还集成了主液冷管网和液冷分配器,是实现整个天线轻量化设计和高集成设计,保证天线适装性的关键部件。
根据天线单元内部设备布局设计,天线框架采用双面开口的结构形式,由多个部件拼装成型,部件之间通过螺栓连接,同时各部件均设计定位结构(定位销孔和定位螺栓),充分保证拼装天线框架的精度要求。如下图2所示。
4热设计及仿真分析
4.1热设计
热设计的主要任务是对热耗较大的设备进行有效的冷却,以保证其工作在允许的温度范围以内[2]。该天线的主要发热设备有SAM和阵面电源,由于发热量较大,必须采用液冷散热技术。
根据天线系统架构和液冷型天线框架结构特点,液冷源的液冷入、出管道直接与天线框架上、下横梁的主液冷接口相连,24个SAM和2个阵面电源的液冷接口与天线框架内部的分液冷接口相连,上述设备采用并联的方式实现供液。
由于SAM结构尺寸受限,发热器件较多,因此热设计难度较大,本文主要对SAM的热仿真分析进行论述。
4.2仿真分析
热仿真分析采用专业热仿真软件ICEPAK进行。建模简化了对温度影响较小的安装孔、圆角以及部分薄筋等,经简化后的仿真分析模型见图3所示。
仿真结果表明,在占空比10%工作状态下,当冷却液入口温度为55℃,SAM的温度云图如图4所示。比较SAM的元器件壳体仿真温度与耐热温度可知:T/R组件等元器件的壳温均低于允许的工作温度上限,SAM的热设计满足要求。
5力学分析
5.1天线框架强度分析
根据设计指标和使用条件,对该天线进行了力学仿真分析,主要计算天线框架在随机振动、加速度过载条件下的应力情况。根据仿真分析结果,最大应力出现在X向随机振动状况下,应力云图见图5。
天线框架内部集成液冷管道,综合考虑强度要求和焊接工艺要求,天线框架的材料选择铝合金5A06(H112),根据GJB2662A-2008《航空航天用铝合金厚板规范》,铝合金5A06(H112)的材料抗拉强度(σb)和规定非比例延伸强度(σ0.2)分别为295MPa和135MPa。按照安全系数取1.5计算得到安全裕度为0.24,满足安全裕度大于0.2的要求。
5.2天线模态分析
天线的主振型及对应的频率值见图6,从图中可知,天线的主模态频率比较高,整体刚性高。
6结束语
本文根据机载SAR雷达天线的设计要求,阐述了有源相控阵天线的结构设计方案,通过采用整体成型的设计和加工方式,极大地提高了天线辐
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