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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GJB 2662A-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射阵面的刚强度，简化了装配过程，降低了装配误差，使天线辐射阵面精度得到了有效的控制;通过采用可扩充阵列模块，将有源器件集成设计，形成外场可更换单元，提高了设备维修性和集成度;通過采用液冷型轻质天线框架，不仅降低体积和重量，同时也保证了产品的力学性能。
参考文献
[1] 赵为伟，宋晓伟. 机载雷达技术的发展现状及趋势[J].电子科技，2018，31（1）：79-82.
[2] 任开锋，邱坤滨.一种无人机载SAR 的结构与分析[J].电子机械工程，2018，34（1）：28-31.
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GJB 2662A-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射阵面的刚强度，简化了装配过程，降低了装配误差，使天线辐射阵面精度得到了有效的控制;通过采用可扩充阵列模块，将有源器件集成设计，形成外场可更换单元，提高了设备维修性和集成度;通過采用液冷型轻质天线框架，不仅降低体积和重量，同时也保证了产品的力学性能。
参考文献
[1] 赵为伟，宋晓伟. 机载雷达技术的发展现状及趋势[J].电子科技，2018，31（1）：79-82.
[2] 任开锋，邱坤滨.一种无人机载SAR 的结构与分析[J].电子机械工程，2018，34（1）：28-31.