一种Ka波段缝隙天线的结构设计及制造工艺

李汉林，汤明春，杜 兵

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

波导缝隙天线由于具有体积小、重量轻、结构紧凑、口径利用效率高等特点而被广泛用于机载、舰载等武器装备。Ka波段缝隙天线因其频率高、波长短等特点对天线结构提出了更高的精度要求。

本文针对一种Ka波段缝隙天线提出2种基于不同制造工艺的天线结构方案，对这2种结构进行详细阐述，并就各结构特点、制造难点及后续研究方向进行了探讨。

1 设计要求及技术难点

该天线是某舰载设备的核心组成部件，其性能直接影响整个设备的系统功能。天线内部腔体前端为2层天线辐射缝隙，辐射缝隙中间为辐射波导腔；后端为波导功分网络。

根据天线性能要求，单个缝隙外形、缝隙间相对位置、辐射波导腔外形、功分网络外形精度均需控制在±0.02 mm之内；辐射波导腔及波导功分网络腔体表面粗糙度优于1.6；各腔体之间要求气密，不允许腔体互通。针对本天线精度高、壁厚薄的特点，其技术难点在于：

(1)制造工艺。目前波导缝隙天线主要的制造工艺有装配成型、粘接成型、焊接成型，选择合适的制造工艺可以降低制造难度及制造成本。

(2)分型面划分。根据制造工艺划分腔体分型面，其原则是不破坏内部辐射腔的整体性，拆分的零件易于加工。

(3)精度控制。将天线电气性能允许的尺寸精度合理地分配给零件加工和成型工艺；选择合理的工艺路线，尽量减少零部件变形。

2 结构设计

天线结构设计原则是在满足电气性能的前提下，符合工程化需求。在天线设计前期，结构设计的重点是验证电气指标能否达到设计预期；电气性能达标后进行工程化设计，工程化设计时需综合考虑可靠性、环境适应性、工艺性及经济性。因此，在本天线结构设计中选择如下2种结构形式：装配成型和焊接成型。

2.1 装配成型

装配成型是将天线分割为若干易于加工的零件，通过螺钉装配在一起。装配成型的天线结构形式简单，易于加工，在工程实际中有着广泛的运用。针对本天线，其设计制造难点在于分型面划分、精度分配及精度控制。

分型面划分基本原则如下：不破坏内部腔体的完整性，尽量从腔体端面拆分；尽量保证拆分的零件厚度相当，不出现壁厚特别薄的低刚度零件；便于加工，不出现需多次装夹加工成型的零件。

精度分配是将电性能允许的尺寸精度及形位公差分配给各个拆分零件及装配工艺。各拆分零件需以拆分面为安装基准，以装配基准为加工基准设计内部腔体、辐射缝隙等特征结构，实现单个零件加工与整体装配统一基准，减少因基准转换产生的累积误差。

零件精度取决于机床精度、工装设计及典型特征细节处理。目前国内的机床精度普遍较高，完全能满足此天线零件加工需求；设计工装时，尽量统一零件的加工基准，减少累积误差；对精度要求高的典型特征(如辐射缝隙)进行去毛刺处理，保证典型特征表面的光洁度。

如图1所示，本天线划分成4个独立零件进行加工，先加工大致外形及精加工接触面，加工完成后将4个零件组合加工共用定位销孔，并设计与定位销孔相匹配的工装，加工各零件内部腔体及辐射缝隙时，以此工装为加工基准，实现4个零件的同一基准加工，减少因零件加工基准不统一而产生的误差。采用空走刀等手段去除辐射缝隙内的毛刺，并使用三坐标投影仪等手段对尺寸进行检测。

图1 分型面划分图

检测合格的零件，先用预先设计的定位销定位，再用螺钉紧固，螺钉涂螺纹胶，装配完成后天线外形如图2所示。

图2 天线外形图

2.2 焊接成型

目前国内外天线产品的焊接主要采用真空钎焊或盐浴钎焊工艺，真空钎焊因不使用钎剂、成品率高等特点而被广泛运用，本天线具有精度高、缝隙小等特点，选择采用真空钎焊。真空钎焊是将钎料加热到合适的温度(高于钎料液相线，低于母材固相线温度)，利用液态钎料在母材表面润湿和毛细作用填入母材焊缝接头，形成材料之间的连接。针对本天线，焊接成型的难点在于：焊接性能验证、焊接分型面划分、焊接件结构形式等。

真空钎焊过程是一系列复杂的线性及非线性过程，包括相变过程、钎料流动、材料伸缩、热应力及形变等，需进行前期焊接性能验证，包括焊接伸缩率验证、钎料流动率验证及焊接温度控制验证等，以验证结果为指导实施结构设计，力求将上述问题的影响降低到最低。

焊接分型面划分直接关系焊接方案及焊接质量，分型面划分原则是要便于焊接，尽量远离天线电性能区，尽量保证大面接触焊接。大量研究证明，一次焊接成型方案优于二次或多次焊接成型方案，故本方案设计之初，优选如上文装配成型方案所述的零件拆分方案，但此拆分方案会出现大面与很多小面接触焊接的状况，容易形成虚焊，且焊接时工装需大面积挤压直缝隙端面，极易造成缝隙收缩，影响电气性能。故本天线采取二次焊接工艺完成焊接，将天线分为辐射单元和功分网络单元。先将辐射单元和功分网络单元分别焊接成型，再将这2个单元焊接在一起完成天线单元的焊接。2次焊接选择温度梯度较大的钎料，将二次焊接对一次焊接的影响降低到最小。

焊接件结构设计时需充分考虑前期焊接性能验证结果，如根据前期钎料流动率验证结果，将钎料变形量折算成零件焊接面尺寸预留量；根据钎料溢出量设置钎料溢出区，将钎料流动控制在钎料溢出区内等。

如图3所示，将辐射单元划分为天线条、上盖板、下盖板。天线条是关键零件，为保证辐射单元精度，将前后辐射缝隙端面及中间辐射腔一体化设计，在与上下盖板接触位置设置钎料溢出槽，防止焊接时钎料流入辐射腔体内；上、下盖板上设计与辐射腔体相对应的凸台，在保证辐射腔体尺寸的同时，将钎料溢出区与辐射腔体隔离；零件采用高精度机床加工，采用空走刀等手段去除辐射缝隙内的毛刺，加工完成后采用三坐标投影仪等测试仪器检测。焊接工装压接在上下盖板端面，设计弹性工装保证焊接面接触良好；辐射单元焊接完成后进行密封性试验，保证各腔体之间气密。

图3 辐射单元拆分图

如图4所示，将功分网络组件划分为功分腔体与盖板两部分。功分腔体前端面是与辐射单元的焊接面，在前端面设置为凸台形式，凸台端面与辐射单元接触焊接，凸台高度高于辐射单元上与之配合的槽深，确保焊接接触面接触良好；凸台周边设置钎料溢出区，保证钎料不流入内部腔体；设计弹性焊接工装，确保焊接面接触良好。焊接完成后进行气密性试验，确保焊接牢固可靠。

图4 功分网络单元拆分图

如图5所示，将辐射单元与波导功分网络单元用低温焊料焊接在一起形成天线。设计弹性焊接工装确保焊接面接触良好。焊接完成后进行X光检测及气密性检测，确保焊接质量达标。

3 实物加工情况及后续研究方向

图5 天线外形图

根据上述制定的工艺路线，对2种天线进行实物试制验证，装配成型的天线外形图如图6所示，真空钎焊的天线外形图如图7所示。经检测，天线性能均能满足设计需求。

图6 装配成型天线外形图

图7 焊接成型天线外形图

通过实物试制可以得出如下结论：装配成型的天线成品率几乎是100%，但在后期可能存在由于振动、冲击等因素造成螺钉松动、精度降低的风险，虽然采用了螺纹胶等手段，但这一风险无法彻底释放，如何提高天线的强度及刚度、结构稳定性是装配成型天线后续研究的方向；焊接成型的天线整体强度、刚度均优于装配成型的天线，但焊接过程是不可控过程，每一个环节均会对产品性能产生不可估量的影响，需通过多轮试制，确定合适的焊接参数、装夹工装，制造难度较大，成品率较低，如何提高成品率是焊接成型天线后续研究的方向。

后续设计中需从下面几个方向进行结构优化：针对装配成型的天线，优化连接形式设计，并采用胶水等辅助手段提高结构强度、刚度和结构稳定性；针对成型的天线，使用有限元数值分析手段模拟焊接过程，根据分析结果设计焊接工装，再通过实物焊接修正工装设计，以提高焊接成品率。

4 结束语

本文以工程研制周期为基础，在工程研制的不同阶段提出了不同的设计思路及方案，满足不同阶段的需求：在产品性能验证阶段提出了天线装配成型的设计思路，解决基本问题；性能验证完成后，从工程应用出发，提出了焊接成型的设计思路；分析了这两种结构形式的优势及不足，并就改进方向提出了自己的看法。

上述均为作者在天线设计时的肤浅认识，希望能为天线结构设计人员提供些许帮助。