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1、 气象雷达的相控阵天线结构设计 唐宝富【摘 要】相控阵天线采用电子扫描、全固态分布式发射机,大大提高了可靠性,可以实现全自动、无人值守、长期不间断工作,在气象雷达中有很好的应用前景.以风廓线雷达天线为例,从阵列结构、T/R 组件等方面介绍气象雷达中的相控阵天线结构设计方法.【期刊名称】电子机械工程【年(卷),期】2006(022)001【总页数】3 页(P27-29)【关键词】气象雷达;相控阵天线;结构设计【作 者】唐宝富【作者单位】南京电子技术研究所,江苏,南京,210013【正文语种】中 文【中图分类】工业技术 2006 年第 22 卷第 1 期 2006.Vol.22No.1舍事机钱其程
2、四 ectro-Mechani 姐 J Engineering 气象雷达的相控阵天线结构设计唐宝富（南京电子技术研究所，江苏南京 210013)摘要：相控阵天线采用电子扫描、全国态分布式发射机，大大提高了可靠性，可以实现全自动、无人值 守、长期不间断工作，在气象雷达中有很好的应用前景。以风廓线雷达天线为例，从阵列结构、T/R 组件 等方面介绍气象雷达中的相控阵天线结构设计方法。关键词：气象雷达；相拉阵天线；结构设计 中图分类号：TN959.4;TN821 文献标识码：A 文章编号：1008-5300(2006)01-0027-03 StructuralDesignof PhasedArrayA
3、ntennaforWeatherRadar TANGBao-fu(NanjingResearchInstituteofEkctronicsTechnology,Nanjing 210013,China)Abstract:The phased arr 町 antenna whichemploys electronic scanning and allsolid-state distributed transmit tershasagoodprospect of application duetoitshighreliability,fullyautomatical,unmannedoperati
4、on,andlong-termanduninterruptedwork.咀 1e structural designmethod of phasedarrayantennas forweather radar isstudied fromtheaspectsof theantennaarraystruct 町 e andT/Rmoduleinthispaper.Atthesametime,awindprofiler radar antenna isgivenas anexampletoillustrate 由 is method.Key words:weather radar;phasedar
5、rayantenna;structural design 0 引言 n A 电叫 r w 昂 n M 品.图 1 天线系统组成 1 阵列结构设计 27 气象雷达的工作方式趋向于全自动、无人值守、不 间断连续工作，并可遥控、遥测。因此，要求雷达具有 高可靠性、高自动化程度、适应野外恶劣环境的性能。相控阵天线采用电子扫描、全固态分布式发射机，大大 提高了可靠性，可以实现上述要求，在气象雷达中有很 好的应用前景。本文结合某型风廓线雷达天线的结构 设计，对气象雷达中的相控阵天线结构设计方法进行 初步探讨。某型对流层风廓线雷达是 P 波段多普勒相控阵 雷达，通过天线扫描得到天顶、东、西、南、北五波束位
6、置不同高度的大气散射信号，信号经积累和复杂的数 据处理后，得到不同时刻的风廓线数据，用于气象分 析。其天线系统由天线阵列、馈电网络和 T/R 组件三 部分组成。天线阵列水平放置，T/R 组件和馈线网络（由行列馈、电缆组成）悬挂在天线阵列的下方。为方 便T/R 组件和馈电网络的维修，天线阵列距地面 0.85 m，通过 12 个支架与地面固 定（见图 1）。天线阵列由 144 个垂直交叉双极化微带印刷振子 单元组成，长宽各 6m。天线阵列不仅需要承受自重、T/R 组件、馈线网络的重量，还要能承受设计要求的雨 强、积雪、风力，同时还要保证反射面精度，因而不但需 要有足够的强度，而且要有足够的刚度。*
7、收稿日期：2005-04-08 考虑到阵面结构分块和加工、安装方便，将 16 个 单元做成一个阵列模块（见图 2）。天线单元排列在反 射面板上，单元振子之间填充聚氨脂泡沫，再在泡沫外 胶贴玻璃布，其样就形成了一个复合材料的夹层结构，刚度好，重量轻（不需要天线背架），隔热性能好，不仅 省去了天线罩，而且能有效地减少太阳辐射热对天线 阵列的影响。这种全密封结构将天线单元与大气环境 2006 年第 22 卷第 1 期 2006.Vol.22No.1 舍要：相控阵天线采用电子扫描、全国态分布式发射机，大大提高了可靠性，可以实现全自动、无人值守、长期不间断工作，在气象雷达中有很好的应用前景。以风廓线雷达
8、天线为例，从阵列结构、T/R 组件等方面介绍气象雷达中的相控阵天线结构设计方法。中图分类号：TN959.4;TN821 文献标识码：A 文章编号：1008-5300(2006)01-0027-03 StructuralDesignof PhasedArrayAntennaforWeatherRadar TANGBao-fu(NanjingResearchInstituteofEkctronicsTechnology,Nanjing 210013,China)Abstract:The phased arr 町 antenna whichemploys electronic scanning an
9、d allsolid-state distributed transmittershasagoodprospect of application duetoitshighreliability,fullyautomatical,unmannedoperation,and long-termanduninterruptedwork.咀 1e structural designmethod of phasedarrayantennas forweather radar is studied fromtheaspectsof theantennaarraystruct 町 e andT/Rmodul
10、einthispaper.Atthesametime,a windprofiler radar antenna isgivenas anexampletoillustrate 由 is method.Key words:weather radar;phasedarrayantenna;structural design 0 引言 n 图 1 天线系统组成气象雷达的工作方式趋向于全自动、无人值守、不间断连续工作，并可遥控、遥测。因此，要求雷达具有高可靠性、高自动化程度、适应野外恶劣环境的性能。相控阵天线采用电子扫描、全固态分布式发射机，大大提高了可靠性，可以实现上述要求，在气象雷达中有很好的应用
11、前景。本文结合某型风廓线雷达天线的结构设计，对气象雷达中的相控阵天线结构设计方法进行初步探讨。某型对流层风廓线雷达是 P 波段多普勒相控阵雷达，通过天线扫描得到天顶、东、西、南、北五波束位置不同高度的大气散射信号，信号经积累和复杂的数据处理后，得到不同时刻的风廓线数据，用于气象分析。其天线系统由天线阵列、馈电网络和 T/R 组件三部分组成。天线阵列水平放置，T/R 组件和馈线网络（由行列馈、电缆组成）悬挂在天线阵列的下方。为方便 T/R 组件和馈电网络的维修，天线阵列距地面 0.85m，通过 12 个支架与地面固定（见图 1）。天线阵列由 144 个垂直交叉双极化微带印刷振子单元组成，长宽各
12、6m。天线阵列不仅需要承受自重、T/R 组件、馈线网络的重量，还要能承受设计要求的雨强、积雪、风力，同时还要保证反射面精度，因而不但需要有足够的强度，而且要有足够的刚度。考虑到阵面结构分块和加工、安装方便，将 16 个单元做成一个阵列模块（见图 2）。天线单元排列在反射面板上，单元振子之间填充聚氨脂泡沫，再在泡沫外胶贴玻璃布，其样就形成了一个复合材料的夹层结构，刚度好，重量轻（不需要天线背架），隔热性能好，不仅省去了天线罩，而且能有效地减少太阳辐射热对天线阵列的影响。这种全密封结构将天线单元与大气环境28 电子机械工程第 22 卷隔绝，有利于天线单元的防腐。由环氧玻璃布构成的 复合材料蒙皮，具
13、有很好的抗腐蚀能力，可适应野外恶 劣环境。同时，模块化的阵列结构，维修方便，且能很 方便地实现天线口径的扩大或缩小。另外、天线单元 是印制板结构，不允许磕碰，包封结构还可以在运输和 安装过程中保护天线单元。蒙皮汹末天线于元 rw w 飞可 T?可 T?l 图 2 阵列模块 阵列模块夹层结构的常规制造方法是先将天线单元在反射面板上安 装好，再放人模具发泡成型，最后在 表面铺贴环氧玻璃布，用真空袋压法在烘箱内加温固 化成型。这种方法的制品蒙皮致密性好、强度高，外形 平整美观，但制造成本较高，不适合于成本较低的气象 雷达。为降低成本，在单元振子之间填人加工好的泡 沫板（见图 3），将其粘贴在反射面板
14、上，然后采用手糊 法进行包封。可适当增加蒙皮厚度，以弥补手糊法造 成的致密性差的缺陷，保证不渗漏。采用这样的泡沫 板拼接的结构形式使得加工方便，成本大大降低。泡沫板夭线单元图 3 阵列模块内部结构为了满足反射面的设计精度要求，对反射面进行 力学分析计算。这里，运用有限元法进行计算。由于 每个阵列模块独立安装，因而可对单块进行计算。将 阵列结构简化成有限元模型，蒙皮、泡沫板、反射面板 构成的夹层结构采用复合层板单元，反射面板边框采 用梁单元。约束四角节点的三个移动自由度。由于天 线阵列是水平放置的片状结构，因而其风载荷忽略不 计，主要外载荷是安装在其上的天线单元和其下的 Tl R 组件、馈电网络
15、重量以及雪载荷。将天线单元和 TlR 组件、馈电网络的重力载荷施加到相应的节点上，雪 载荷 1200 Pa（根据中国建筑工业出版社结构设计规 范）平均施加到各个节点上。利用 Ideas 软件的有限 元计算模块进行计算，从计算结果可知，反射面最大变形为 0.47mm（见图的，远小于 6 mm 的平面度要求。Re 丑且丁SI.配 ID 主征 Nf I.LC 队 DSEfl aSILACBAENI 如队 GMNOBO)MAX 4 746 冶 4 臼:IFRMAl1 吨 IB C JaSI 吐 A 主征 Nf I.LC 队 D SEfla SR.lI 迅但也 MA1MAX-VALUE 四 n c 削
16、AUALFRAME CfREF 队盯4.740 04 图 4 反射面变形图 2T/R 组件结构设计 T/R 组件要完成雷达的发射、接收、移相、控制波柬扫 描等功能，是相控阵雷达天线的关键部件。其中包括：环流 器、移相器、限幅器、低噪声放大器等模块。结构设计所要 解决的便是把所有模块高度集成在一个腔体内，实现共地 良好、电磁兼容并保证在使用环境中正常工作。考虑到接收支路的体积较大，如按常规把收、发支 路设计在同一平面上，元疑将大大增加组件的体 积。因此在设计中把发射支路作为单一模块反扣在接收支 路的背面，与波控模块及发射电源模块在同一平面。接口之间的连接采用半刚性电缆。这种设计使 T/R 组件结
17、构更为紧凑、合理。一般雷达的 T/R 组件安装在天线高频箱内，处于 室内环境，而该型风廓线雷达的 T/R 组件直接暴露在 外，工作环境极为恶劣，对 三 防设计有很高的要求。T/R 组件内有多种模块，设计时把消除模块与模块间、模块与外界的电磁干扰及三防结合起来考虑，T/R 组 件的外壳结构设计采用整体结构，尽量减少模块间的 拼接缝隙，模块与模块间加隔墙以减少电磁干扰。使 用EMI 屏蔽材料，消减外壳与盖板间的狭长缝隙所造 成的电磁干扰，并对 T/R 组件内部起到密封防潮的作 用。由于缝隙中进入水后不易干燥，构成电化学腐蚀 所必须的电解液，使缝隙内腐蚀加剧，这种现象叫做缝 隙腐蚀。甚至连一些钝化金
18、属（如不锈钢、铝合金、铁 合金）对缝隙腐蚀也很敏感。因而除尽量减少缝隙 外，对不可避免的缝隙（如外壳与盖板间的缝隙）应填 充硅胶密封，防止缝隙进水（见图 5）。T/R 组件结构 设计的另一个需要注意的问题是高频接插件防水设 计，应选用密封防水接插件。整个 T/R 组件外表面涂 覆三防漆，以提高防腐能力。第 22 卷隔绝，有利于天线单元的防腐。由环氧玻璃布构成的复合材料蒙皮，具有很好的抗腐蚀能力，可适应野外恶劣环境。同时，模块化的阵列结构，维修方便，且能很方便地实现天线口径的扩大或缩小。另外、天线单元是印制板结构，不允许磕碰，包封结构还可以在运输和安装过程中保护天线单元。rw w 飞可 T?可T
19、?l 2 阵列模块阵列模块夹层结构的常规制造方法是先将天线单元在反射面板上安装好，再放人模具发泡成型，最后在表面铺贴环氧玻璃布，用真空袋压法在烘箱内加温固化成型。这种方法的制品蒙皮致密性好、强度高，外形平整美观，但制造成本较高，不适合于成本较低的气象雷达。为降低成本，在单元振子之间填人加工好的泡沫板（见图 3），将其粘贴在反射面板上，然后采用手糊法进行包封。可适当增加蒙皮厚度，以弥补手糊法造成的致密性差的缺陷，保证不渗漏。采用这 样的泡沫板拼接的结构形式使得加工方便，成本大大降低。泡沫板 3 阵列模块内部结构为了满足反射面的设计精度要求，对反射面进行力学分析计算。这里，运用有限元法进行计算。由
20、于每个阵列模块独立安装，因而可对单块进行计算。将阵列结构简化成有限元模型，蒙皮、泡沫板、反射面板构成的夹层结构采用复合层板单元，反射面板边框采用梁单元。约束四角节点的三个移动自由度。由于天线阵列是水平放置的片状结构，因而其风载荷忽略不计，主要外载荷是安装在其上的天线单元和其下的 Tl 组件、馈电网络的重力载荷施加到相应的节点上，雪载荷 1200 Pa（根据中国建筑工业出版社结构设计规范）平均施加到各个节点上。利用 Ideas 软件的有限元计算模块进行计算，从计算结果可知，反射面最大变形为 0.47mm（见图的，远小于 6 mm 的平面度要求。Re 丑且丁SI.配 ID 主征 Nf I.LC 队
21、 DSEflaSILACBAENI 如队 GMNOBO)MAX 4 746 冶 4臼:IFRMAl1 吨 IB C JaSI 吐 A 主征 Nf I.LC 队 D SEfl a MAX-V4 反射面变形图 2 T/R 组件结构设计 T/R 组件要完成雷达的发射、接收、移相、控制波柬扫描等功能，是相控阵雷达天线的关键部件。其中包括：环流器、移相器、限幅器、低噪声放大器等模块。结构设计所要解决的便是把所有模块高度集成在一个腔体内，实现共地良好、电磁兼容并保证在使用环境中正常工作。考虑到接收支路的体积较大，如按常规把收、发支路设计在同一平面上，元疑将大大增加组件的体积。因此在设计中把发射支路作为单一
22、模块反扣在接收支路的背面，与波控模块及发射电源模块在同一平面。接口之间的连接采用半刚性电缆。这种设计使 T/R 组件结构更为紧凑、合理。一般雷达的 T/R 组件安装在天线高频箱内，处于室内环境，而该型风廓线雷达的 T/R 组件直接暴露在外，工作环境极为恶劣，对 三 防设计有很高的要求。T/R 组件内有多种模块，设计时把消除模块与模块间、模块与外界的电磁干扰及三防结合起来考虑，T/R 组件的外壳结构设计采用整体结构，尽量减少模块间的拼接缝隙，模块与模块间加隔墙以减少电磁干扰。使用 EMI 屏蔽材 料，消减外壳与盖板间的狭长缝隙所造成的电磁干扰，并对 T/R 组件内部起到密封防潮的作用。由于缝隙中
23、进入水后不易干燥，构成电化学腐蚀所必须的电解液，使缝隙内腐蚀加剧，这种现象叫做缝隙腐蚀。甚至连一些钝化金属（如不锈钢、铝合金、铁合金）对缝隙腐蚀也很敏感。因而除尽量减少缝隙外，对不可避免的缝隙（如外壳与盖板间的缝隙）应填充硅胶密封，防止缝隙进水（见图 5）。T/R 组件结构设计的另一个需要注意的问题是高频接插件防水设计，应选用密封防水接插件。整个 T/R 组件外表面涂覆三防漆，以提高防腐能力 。第 1 期 唐宝富：气象雷达的相控阵天线结构设计 29.EMI 材料做报份苦硅胶动放剧已图 5 T/R 组件 功放模块是 T/R 组件中的主要发热源，为保证其正常工作，必须可靠地散热冷却，因而热设计是
24、T/R 组件设计的一个非常重要的方面。T/R 组件的冷却方 式主要有三种：自然风冷、强迫风冷、液冷。自然风冷 是将热量传导到散热器上，再直接散发到空气中。这 种方式最简单，可靠性较高，但散热效率低，适用于功 率较小的场合。强迫风冷是通过强迫空气流过散热器 来冷却，散热效率较高，但需要风道和风扇，可靠性较 低。液冷是传导冷却，热量传导给流经功放模块底部 的冷却液，由冷却液带走。这种方式散热效率高，适用 于功率密度高的场合，但需要复杂的冷却系统，成本 高。对要求高可靠性、低成本的气象雷达，应尽可能选 择自然风冷。可通过降低功放模块与外壳之间的热 阻、直接在壳体上制作散热器、设计高效散热器等措施 来
25、提高散热能力。3 结束语由于相控阵天线的诸多优点，在很多领域正在逐 渐取代机扫天线，国内在气象雷达领域的应用处于初 始阶段。我所九十年代曾研制相控阵体制的低对流层 风廓线雷达，采用的是 Co-Co 天线。文中介绍的对 流层风廓线雷达是国内首部实际应用的固态有源相控 阵体制的风廓线雷达，其天线结构设计充分考虑了气 象雷达的特殊要求，可靠性高，成本低，可供同类产品 设计时参考。参考文献：I唐宝富，王泼海稀疏阵列天线结构设计 J.电子机械工程，2004,20(4):22-24 2 龚光福大气腐蚀条件下的雷达 三防设计 J.电子产品可靠性与环境试验，1988(2):27-33 3 南京工学院主编电子设
26、备结构设计原理 M.南京：江苏科学技术出版社，1982 作者简介：唐宝富，男，高级工程师，1991 年毕业 于江苏大学机械设计专业。长期从事天线微波结构设 计和研究工作。咛唱哼一一”，”一一一-i一”一”一（上接第 22 页）拟定出切实可行的串、并行实施方案，做出时间、空间、人力、物力以及所有环节的调度和协调。图 2 为采用 并行工程和串行工程结合方法的雷达产品研制过程示 意图。2 结束语雷达结构总体设计涉及到多个专业性很强的学 科，一个良好的雷达系统离不开诸如系统工程、价值工 程、并行工程等理论的指导。在目前传统的设计经验 仍占主导地位的情况下，如何合理应用这些理论，仍需 要摸索和研究。雷达
27、产品的研发中，将这些理论应用 于雷达总体结构设计，从新材料、新工艺、新方法的使 用，到解决好系统设计、机械设计、接口设计、防护设 计、人机关系、价值工程、开发周期等方面，尽一切办法做好雷达结构总体设计工作。参考文献：I辛一行，等现代机械设备设计手册 M.北京：机械工业出版社，1996.7陈曙轻型战场侦察雷达的发展与概念设计 J.火控雷达技术，1996.6 王雁地面雷达小型化设计的总体思路与统筹思考J.电子机械工程，2001.2 4 张设林，等雷达结构总体设计方法初探 J.电子机械工程，1997.9 作者简介：郭军（1971-），男，河南人，高级工程 师，主要从事电子设备结构总体设计工作。期唐宝
28、富：气象雷达的相控阵天线结构设计 5T/R 组件功放模块是 T/R 组件中的主要发热源，为保证其正常工作，必须可靠地散热冷却，因而热设计是 T/R 组件设计的一个非常重要的方面。T/R 组件的冷却方式主要有三种：自然风冷、强迫风冷、液冷。自然风冷是将热量传导到散热器上，再直接散发到空气中。这种方式最简单，可靠性较高，但散热效率低，适用于功率较小的场合。强迫风冷是通过强 迫空气流过散热器来冷却，散热效率较高，但需要风道和风扇，可靠性较低。液冷是传导冷却，热量传导给流经功放模块底部的冷却液，由冷却液带走。这种方式散热效率高，适用于功率密度高的场合，但需要复杂的冷却系统，成本高。对要求高可靠性、低成
29、本的气象雷达，应尽可能选择自然风冷。可通过降低功放模块与外壳之间的热阻、直接在壳体上制作散热器、设计高效散热器等措施来提高散热能力。3 结束语由于相控阵天线的诸多优点，在很多领域正在逐渐取代机扫天线，国内在气象雷达领域的应用处于初始阶段。我所九十年代曾研制相控阵体制的低对流层风廓线雷达，采用的是 Co-Co 天线。文中介绍的对流层风廓线雷达是国内首部实际应用的固态有源相控阵体制的风廓线雷达，其天线结构设计充分考虑了气象雷达的特殊要求，可靠性高，成本低，可供同类产品设计时参考。参考文献：I 唐宝富，王泼海稀疏阵列天线结构设计 J.电子机械工程，2004,20(4):22-24 作者简介：唐宝富，
30、男，高级工程师，1991 年毕业于江苏大学机械设计专业。长期从事天线微波结构设计和研究工作。拟定出切实可行的串、并行实施方案，做出时间、空间、人力、物力以及所有环节的调度和协调。图 2 为采用并行工程和串行工程结合方法的雷达产品研制过程示意图。雷达结构总体设计涉及到多个专业性很强的学科，一个良好的雷达系统离不开诸如系统工程、价值工程、并行工程等理论的指导。在目前传统的设计经验仍占主导地位的情况下，如何合理应用这些理论，仍需要摸索和研究。雷达产品的研发中，将这些理论应用于雷达总体结构设计，从新材料、新工艺、新方法的使用，到解决好系统设计、机械设计、接口设计、防护设计、人机关系、价值工程、开发周期等方面，尽一切办法辛一行，等现代机械设备设计手册 M.北京：机械工工程，1997.9作者简介：郭军（1971-），男，河南人，高级工程师，主要从事电子设备结构总体设计工作。【文献来源】https:/ 【相关文献】1.气象雷达的相控阵天线结构设计 J,唐宝富，王浚海 2.气象雷达的相控阵天线结构设计 J,曹雪刚 3.某机载雷达相控阵天线结构设计 J,任开锋，李凤英，宋志行，朱志远 4.某有源相控阵气象雷达天线结构设计 J,陈应春，冯喆，宋晓斐，何军 5.星载微带相控阵天线游离板结构设计 J,韦娟芳，梁新海，范乃康，王勇