毫米波有源相控阵裂缝天线制造工艺技术

1、Technical ProposalforSAC 3-PluseAnd Shielded Room毫米波有源相控阵裂缝天线制造工艺技术管理提醒：本帖被大秦 从 雷达 移动到本区 (2007-11-26)图片：图片：毫米波有源相控阵裂缝天线制造工艺技术姚春蓉( 中国西南电子技术研究所，四川成都 610036)摘 要：介绍了机载毫米波有源相控阵雷达裂缝面阵天线的结构、技术要求以及制造难点，对天线制造的工艺方案、工艺路线以及加工方法进行了详细阐述，并对主要工艺技术难题的解决进行了分析探讨。关键词：雷达；毫米波；有源相控阵裂缝阵天线；制造工艺Technology for Making a Certai

2、n Millimetre-wave Active Phased-arrayRadar Cracked-array AntennaTechnical ProposalforSAC 3-PluseAnd Shielded RoomYAO Chun-rong(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)： The structure,technica requirements and making difficulties of a certain millimetre-wave active pha

3、sed-array radar crack-array antenna are introduced. The technological project, processand methods are expatiated in detail , and solutions to main technological difficulties are analyzed and discussed.：Radar; Millimetre-wave; Active phased-array cracked-array antenna;Making technology一、引言现代高科技战争要求机载

4、雷达作用距离远、能对多个目标进行搜索与跟踪、自身生存能力强、完成多功能多模式工作，并且可靠性高，维修性好。有源相控阵技术具有上述诸方面的优势，成为现代机载雷达的优先选用技术。本文对机载毫米波有源相控阵雷达裂缝面阵天线的结构特点、工艺方案和主要工艺技术难点及解决措施进行了分析和探讨。二、裂缝阵天线结构特点与技术要求毫米波裂缝阵天线是机载有源相控阵雷达的重要组成部分，也是关键部件之一。该天线由若干个裂缝线源组合成裂缝面阵，每根线源裂缝宽小于1 mm，深度和倾角各不相同，尺寸精度要求高，波导精度达国家II 级波导要求。由于单个裂缝线源的厚度很小，除去波导腔体内尺寸, 单边壁厚只有0.47mm，要实现

5、长 300 多毫米的裂缝线源与 功分器的硬连接相当困难，为此，在进行 4 单元裂缝阵研制时结构上采用了裂缝线源与 功分器一体化的结构形式 , 将单根天线的裂缝线源和功分器波导腔体做在一块铝板上，再将这样相同的多个腔体同向重叠焊接后开裂缝，形成完整的裂缝面阵 （见图 1 和图 2，图 2 为 4 单元裂缝阵天线示意图） 。Technical ProposalforSAC 3-PluseAnd Shielded Room该毫米波裂缝阵天线的主要工艺技术难点表现在： （ 1）裂缝阵的加工；（2）组装精度的保证；（ 4）焊接技术的保证；（ 3）加工变形的控制；（ 5）裂缝阵毛刺的清理；（ 6）天线“三

6、防”的解决。由于天线结构紧凑尺寸精度要求极高，加工难度很大，需要进行工艺方法和工艺参数的摸索。三、工艺方案和工艺路线的确定裂缝阵天线加工制造中最重要的制约因素是裂缝的加工。目前可用于裂缝加工的方法有以下几种：1 数控铣削加工数控铣主要依靠数控机床的高精度保证天线裂缝阵各尺寸和形位精度要求，铣加工中最突出的问题：一是刀具，由于裂缝宽度很窄，所选铣刀尺寸很小刚性低有效切削刃短，加工中断刀的几率大，一旦出现断刀容易形成表面缺陷，对裂缝尺寸精度的影响很大；二是变形问题，铣加工中切削热的释放容易引起裂缝变形，影响使用；三是毛刺问题，铣削后缝隙毛刺的清理是一项复杂而费力的事情，如果清理不彻底，将严重影响天

7、线的电气性能。2 线切割加工随着高精度数控线切割机床的不断发展，线切割加工以其变形小、尺寸精度高而得到了普遍的应用。线切割加工裂缝以直缝加工最具优越性，倾斜缝的加工需要改装线切割设备，主要应用在单根天线的加工。3 电火花加工电火花加工裂缝天线具有加工变形小尺寸精度高等优点，缺点是存在电极损耗，主要技术难度在于电极的制造。4 激光加工用高精度数控激光设备加工裂缝应该是目前几种方法中最佳的选择，激光加工具有如下优点：(1) 不受刀具尺寸和刚度限制，激光光斑大小可以聚焦到微米级，能量密度高，输出功率可以调节，可加工裂缝宽度可达0.01 mm；(2) 激光加工属于非接触加工，没有明显的机械力，加工速度

8、快, 热影响区小，可以防止加工变形；(3) 没有工具损耗，保证加工尺寸精度一致性；(4) 无毛刺，受激光光斑照射区域的金属以蒸气形式快速爆炸式高速喷射而出，不存在毛刺。激光加工适用于各种裂缝和裂缝面阵的加工，但由于影响因素多，需反复试验寻找合理的工艺参数才能达到所需加工精度和表面粗糙度要求。根据以上分析，考虑到研制进度要求，结合本单位实际加工能力，选择了数控铣削加工方法，采取先利用高精度数控设备铣出平面波导型腔，再组装焊接，然后用高精度数控设备加工裂缝的工艺路线。裂缝加工刀具采用美国进口硬质合金铣刀，直径 1 mm，能满足小于 1 mm宽裂缝的加工要求；通过工艺试验，确定铣加工切削工艺参数 ,

9、 最大程度降低切削热，减小加工变形，减小刀具切削力；组装精度的保证依靠设计精密的定位夹具满足要求；采用焊接变形较小的真空铝钎焊工艺控制焊接变形。Technical ProposalforSAC 3-PluseAnd Shielded Room试制过程分阶段进行：先用标准波导管进行单根天线的试制，以解决裂缝的铣削难题；然后试制 4 单元裂缝面阵，以解决组装和焊接技术裂缝面阵的加工以及加工变形的控制等问题，为更多单元面阵天线的试制提供技术支撑。生产组织时，每阶段都预投工艺试验件（多投 1 2 件先行加工），以检验电路和结构设计的正确性，验证工艺方案的可行性以及摸索确定工艺参数。四、主要工艺技术难题

10、及解决措施1 加工和焊接变形的控制（1）加工变形的控制为满足组装前单个裂缝线源外形尺寸和两面平行度要求，考虑到薄铝板加工变形很大 , 工艺上采取：选用厚板毛坯，去掉板材轧制过程中形成的表面高应力层；以加工腔体的方法在数控加工中心（ MIKRON）采用高速切削原理分粗精铣保波导腔体及厚度尺寸精度；工序间辅以多次热处理去应力校平；最后线切割外形等加工手段, 减少组装前的加工应力变形。因加工裂缝的波导面壁厚很小，若 4 个裂缝线源组装焊接前先加工裂缝，则存在以下问题：加工线源波导腔时，由于波导侧壁刚性极低，很容易发生向内塌陷变形；焊接时，波导侧壁边不便焊料设置，容易造成虚焊或多余焊液流入波导腔形成焊

11、疤不便去除，影响波导传输，且焊接变形很大；焊前加工裂缝，波导裂缝面被分割成无数小的悬臂薄片，单个薄片刚性更低，变形倾向更大，整个波导裂缝面将变成波纹状排列的伞形齿，无法校形，无法焊接，更无以保证组装后裂缝面阵的平面度要求。为此，工艺上采取：焊后加工裂缝；在开裂缝的波导侧壁预留加工余量，焊后再加工保壁厚；根据德国切削物理学家 Salomon切削理论，采用高速切削降低切削热等措施，解决了薄壁加工和焊接变形、焊料设置和裂缝面阵的高平面度等问题。（2）焊接变形的控制在控制焊接变形方面，采用焊接变形较小的真空铝钎焊工艺，并按照工艺试验件确定的焊接工艺参数进行焊接，包括焊料厚度的选择、焊料布局、焊接温度和

12、时间的设定，以及焊前装夹方式的确定等来减少焊接变形。2 组装定位精度的保证组装裂缝面阵天线时必须保证：各单元波导入口的相对位置精度；裂缝面波导窄边内壁处于同一平面内，否则将导致天线与 T/R 组件无法连接、后续加工裂缝时部分裂缝不通等现象。为此工艺设计时，设计制作高精度的定位芯子定位各波导口的相对位置，保证各单元线源波导窄边内壁处于同一平面内，并用定位销作固定，从而保证了以上要求。同时，定位芯子还将在后续裂缝阵加工中，起工艺基准作用。3 高精度天线裂缝阵的加工（1）机床选择和切削参数的确定为保证天线裂缝阵各尺寸和形位精度要求（ 56 级左右），选择在高精度数控加工中心（MIKRON）进行加工，

13、该机床定位精度和重复定位精度都在 0.008 mm以上，可进行高速切削，避免切削热引起的加工变形。通过工艺试验件和单根天线的加工，确定满足设计要求的工艺参数。Technical ProposalforSAC 3-PluseAnd Shielded Room（2）加工刀具的确定加工小于 1 mm宽的裂缝需要特殊刀具。选用美国进口专用硬质合金铣刀，该铣刀尺寸和刚度能满足裂缝的加工要求。（ 3）装夹定位方式和加工顺序的确定以组装时的定位芯子定位找正，使各天线单元线源波导内壁平行于加工平面，从而保证加工后裂缝面壁厚的均匀性。由于铝钎焊强度有限，为防止加工时切削力拉伤裂缝面，加工顺序确定为：找正精铣底面

14、精铣裂缝面精铣裂缝阵。4. 裂缝阵毛刺的清理4 个腔体重叠焊接后，形成 4 个半封闭的波导腔（图 2），在两端封闭情况下整个天线的加工性较好，但加工裂缝时进入线源波导腔的切屑和毛刺无法清除，将严重影响波导传输。为方便切屑的清除和组焊时定位装夹，采取两端先铣通，最后焊接两端盖板的结构形式。毛刺的清理主要靠高级钳工使用各种自制工具（小锉刀、小钩、芯片等）进行手工清理，需要操作者具有认真负责、耐心细致的工作态度和工作作风。五、有待继续试验研究解决的问题1 天线“三防”问题本阶段主要解决加工实现问题，未对天线的“三防”措施进行细致的考虑，在实际装备中必须根据设备环境条件进行有效的“三防”处理。2 电解去毛刺问题受目前条件限制，采用手工去除裂缝阵和波导腔内的毛刺比较麻烦，不适应将来批量生产的需要，应采取快捷有效的工艺方法来解决。考虑采用电解法去毛刺，但需要经过工艺试验，摸索电解工艺参数。六、结束语毫米波裂缝阵天线结构尺寸小，精度要求高，加工难度大，通过工艺试验和设计精密的工装夹具，应用高精度数控加工设备、数控焊接设备，依靠高级技师精湛的技艺，成功完成了 4 单元裂缝阵天线的加工制造，为后续更多单元裂缝阵天线的试制奠定了工艺技术基础。在该天线的研制过