大阵面雷达天线高精度装配技术研究

刘铁生，胡建裕

摘要：随着相控阵天线技术的发展，不同形式、不同波段以及各种规模的相控阵天线不断开发与应用，与之相适应的各种校准和测量方法也在不断发展。对于校准精度要求特别高的天线。

关键词：大阵面雷达天线；高精度装配；应用

前言：

相控阵雷达的天线阵面是利用大量小型天线单元排列而成的。随着相控阵雷达的发展，天线阵面尺寸越来越大，天线单元数量越来越多，阵面结构安装精度要求越来越高，而天线阵面的装配精度又直接影响着相控阵雷达阵列激励的精度。目前关于大阵面雷达天线高精度装配技术方面的研究，多在产品生产首次装配中进行。

1装配技术研究

某雷达天线阵面由12块天线单元装配而成。装配天线单元时，需要通过上固定面上的4个固定孔和下固定面上的4个固定孔将天线单元固定在天线骨架上，从而形成天线阵面。天线阵面满足指标要求的前提不仅是每块天线单元符合指标要求，更需要严格把控装配过程以保证垂直度（即天线阵面与安装平面的夹角）、各天线单元的同面度（各天线单元平行于安装平面的距离偏差）、天线阵面的平面度（天线单元组装成天线阵面后的整体平面度）等各项指标要求。该天线阵面在首次装配时，以天线骨架的上固定面和下固定面作为水平和垂直基准，且天线骨架是新生产出来的，其各项指标满足天线阵面装配需求，但在长时间使用后，天线骨架整体发生了扭曲变形。研究人员通过特殊手段对拆分下来的天线骨架进行了校准，复测发现校准后的天线骨架上固定面的水平度和下固定面的垂直度均无法达到原来的设计要求，即其指标不再满足天线阵面装配需求。本文通过重新选择基准，确定装配方案，增加工艺装配件，以定制工装为辅助，装配时实时监测各项指标，实现了天线阵面高精度再装配，解决了装配时不能满足指标要求的问题。

1.1确定基准平面

在雷达设备的具体使用中，以雷达设备平台为基准进行各方位的指标测试，在最初的方案中考虑以雷达设备平台作为基准进行装配。但该雷达为机载雷达，其设备平台为某大型飞机，雷达设备所处位置较高，且天线单元的装配属于较大型设备安装，固定孔位多，安装过程复杂，需要多人同时操作，现有的安装设备无法满足使用要求。此外，雷达整体设计要求雷达设备需要在地面上装配好天线阵面之后才可进行与设备平台的装配，故无法直接使用设备平台作为基准。雷达设备平台与天线骨架的安装对接是由天线骨架下方4个带有安装孔的安装支耳通过螺栓连接实现的，故以此为切入点进行基准构建。对天线骨架进行的整体分析发现，虽然天线骨架的上固定面和下固定面由于扭曲变形不能继续作为基准，但天线骨架下方的4个安装支耳并未发生变形，因此可以此来构建基准。基准包括水平基准和垂直基准。水平基准为平行于雷达设备平台的平面，垂直基准为垂直于雷达设备平台的平面，因而可以安装孔的端面圆心来构建水平面，以此为水平基准，同时分别对前后各两组孔端面圆心构建线段，确定中点，连接两个中点作垂直于水平基准的平面，作为垂直。

1.2装配方案阐述

天线单元共有12块，在整个天线阵面装配中，第1块天线单元的安装至关重要。它是其他天线单元安装的基准，确定天线阵面的垂直度是否满足要求，并决定装配成功与否。经头脑风暴确定了2种装配方案。第1种方案是从天线骨架一侧开始安装，之后依次进行，每安装完一块天线单元，就需要对已安装的天线单元整体进行参数测量，不断调整正在安装的天线单元，达到指标要求后继续进行安装；第2种方案是从天线骨架中间开始安装，之后两边同时安装，两边各安装一块后对已安装的天线单元整体进行参数测量，同时调整两边正在安装的两块天线单元，达到指标要求后继续进行安装。通过对比分析得知，第1种方式所用人力较少，测量次数多，而第2种方式耗时较短，测量次数相对较少。经综合评判，确定使用第2种安装方式。

2激光跟踪仪在飞机总装配测量中的应用

以雷达天线面板底座测量为例：

2.1建站

以雷达天线面板底座的测量为例，在地面上选择4个地标点作为基站。要求4个点均匀地分布在飞机左右两侧，且两两不能共线。当激光跟踪仪位于飞机右侧时，首先建立站点1。对飞机上12框和57框右侧的点、55框下方的点进行测量，分别命名为R12、R57、M55，再对地面上的地标点进行测量。在测量过程中基站上的点固定不能移动，并进行顺序编号（1、2、3、4），并对每个点建立族。相应地，将激光跟踪仪设置在飞机左侧建立站点2。按顺序再次测量地面上的点，把相对应的点放入同一族中。对飞机上12框和57框左侧的点、12框下侧的点进行测量，分别命名L12、L57、M12。对站点1和站点2的同族点进行转站计算，并进行误差分析。

2.2建立坐标系

原点在机头正前方雷达罩顶点处，高度方向为Y向，其中向上为正；翼展方向为Z向，指向左翼为正；航向为X向，机头指向机尾方向为正。首先利用L12、R12、L57、R57这4个点构建平面PLN1为飞机的水平构造面；通过点M12向平面PLN1作垂线，垂线即为Z轴方向；利用点M12、M55在PLN1上投影的连线构造直线1，直线1即为X轴；构造原点O12，M12在PNL1面上的投影点向X轴反方向平移（由飞机结构位置决定）即为坐标原点O12。其中X轴为逆航向方向，Y轴为翼展向右方向，Z轴为垂直向上。

2.3天线面板底座的水平测量

测量地面4个点，并重新建族。建立站点3，并激活。将激光跟踪仪挪到合适位置，确保激光跟踪仪既能够同时测量地面4个点又能够测量飞机雷达天线面板上的点。将站点3与站点2进行转站计算，并进行误差分析。再对雷达天线面板底座上的4个测量点（LD1、LD2、LD3、LD4）进行测量。

2.4雷达天线面板底座的俯仰误差和方位误差的计算

1）俯仰误差的计算利用雷达天线面板底座上的4个测量点LD1、LD2、LD3、LD4构造雷达天线安装平面，命名为LDPM。雷达天线安装平面与飞机构造水平面的垂直度误差，为俯仰误差（飞机坐标系，向上取正值、向下取负值）。因此，雷达天线安装平面的俯仰角即为雷达天线面板与飞机对称中心面的夹角。将面与面的夹角转换为线与线的夹角进行计算，利用雷达天线面板平面LDPM与坐标系XOY平面构造一条交线，命名为FYL，FYL与Y轴的夹角即为俯仰角。2）方位误差的计算利用雷达天线面板底座上的4个测量点LD1、LD2、LD3、LD4构造雷达天线的安装平面，命名LDPM。雷达天线安装平面与飞机对称面的垂直度误差，为方位误差（飞机坐标系，向右取正值、向左取负值）。因此，雷达天线安装平面的方位角即为雷达天线面板与飞机水平构造面的夹角。将面与面的夹角转换为线与线的夹角进行计算，利用雷达天线面板平面LDPM与坐标系XOZ平面构造一条交线，命名为FWL，FWL与Z轴的夹角即为方位角。

结束语

天线阵面结构精度对天线副瓣电平、天线增益与波束指向有至关重要的影响。文中通过从随机误差与系统误差两方面分析了结构精度对天线极化特性的影响，并针对某大型高架车载雷达天线阵面的结构精度指标要求，采用仿真分析、数字近景摄影测量等手段，在天线阵面结构的设计、装配、测量与调整的过程中全程控制，保证天线阵面最终平面度控制在0．4ram内，满足安装精度的指标要求。本文研究内容可为更大型天线阵面保精度设计提供有益的可借鉴性经验。

参考文献：

[1]邵春生．相控阵雷达研究现状与发展趋势[J].现代雷达，2016，38(6)：1一12．

[2]赵希芳，沈文军，马利华．大型天线阵面平面度分析与控制[J]．电子机械工程，2014，30(2)：37—39．