雷達組件故障檢測多功能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

盧德輝，楊志謙，張勇波，王新海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷達組件故障檢測多功能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

盧德輝，楊志謙，張勇波，王新海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

結(jié)構(gòu)設(shè)計是雷達測試維修系統(tǒng)的關(guān)鍵，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計會對整個測試維修系統(tǒng)的研制起到事半工倍的效果。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心在于通用性、便利性、安全性。文中綜述了某雷達測試維修系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對數(shù)字組件和微波組件的適配器設(shè)計提出了新穎的設(shè)計方案。本測試系統(tǒng)具有通用化、組合化、高集成度、擴展性能強、安全實用等特點。該測試系統(tǒng)的成功研制，為同類測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種有效思路。

組件；測試系統(tǒng)；適配器

引 言

隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)的發(fā)展，裝備的綜合技戰(zhàn)術(shù)性能不斷提升，應(yīng)用的技術(shù)日趨復(fù)雜，系統(tǒng)越來越龐大，雷達的復(fù)雜性不斷提高，故障發(fā)生概率隨之提高，而許多故障的檢測僅憑技術(shù)人員的經(jīng)驗和簡單的儀器已遠遠不能完成[1]。雷達裝備的測試維修性已成為越來越突出的問題，成為技術(shù)保障的決策、控制和不斷改進的重點，雷達測試維修系統(tǒng)的研制越來越受到重視。隨之作為整個測試系統(tǒng)關(guān)鍵的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得越來越重要。國內(nèi)在雷達測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的文獻較少，多數(shù)文獻都是闡述雷達測試系統(tǒng)電訊設(shè)計[1-4]，所以對雷達測試維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究很有必要。

本文綜述了某出口雷達測試維修系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)能逐步、智能化地引導(dǎo)用戶對所有被測件進行測試、故障隔離，并最終完成對被測件的故障修理。其結(jié)構(gòu)方案采用測試技術(shù)主流設(shè)計思路，研制了一套通用化、組合化、智能化、高集成度、擴展性能強、安全實用的雷達綜合測試及數(shù)字維修硬件平臺。同時可根據(jù)后續(xù)任務(wù)的新需求進行擴展并推廣到其他種類雷達，從而逐步形成地面雷達可更換單元的系統(tǒng)維修體系。

1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)特點

多功能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計著眼于實現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性、可擴展性和安全性，力求在簡單的結(jié)構(gòu)平臺上滿足全面的測試需求。多功能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面遵循求同存異的設(shè)計思路，對雷達組件的結(jié)構(gòu)形式進行分析、優(yōu)化，將整個系統(tǒng)設(shè)計成通用測試平臺與可更換模塊兩大類；將滿足雷達組件相似的測試需求的結(jié)構(gòu)集成在通用測試平臺中，體現(xiàn)“同”的最大化，而將滿足雷達組件特殊測試需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計為可更換模塊，體現(xiàn)“異”的最小化。另一方面綜合考慮輔助拔插、自動導(dǎo)向與定位、防錯設(shè)計等因素并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中，降低測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度并提高其通用性和可擴展性。

多功能測試系統(tǒng)主要由測試平臺、適配器、測試模塊組成。

測試平臺主要由測試設(shè)備(如數(shù)字示波器、波形發(fā)生器、數(shù)字萬用表、程控電源、計算機、打印機等)、測試機柜、測試操作臺組成，構(gòu)成組件故障檢測的主體。

適配器作為被測組件與測試平臺之間的接口，其主要作用在于對不同連接器形式的組件進行標(biāo)準(zhǔn)化，并與測試平臺匹配。通過配置不同的適配器，可以滿足不同連接器形式的組件在測試平臺上的測試需求[1-2]。此外，適配器也使不同結(jié)構(gòu)形式的組件能夠在同一測試平臺上完成測試。

雷達系統(tǒng)的最小可更換單元主要是數(shù)字組件和微波組件，所以相應(yīng)的適配器也分為數(shù)字組件測試系統(tǒng)、微波組件測試系統(tǒng)兩類。圖1所示為微波組件測試系統(tǒng)組成。

圖1 微波組件測試系統(tǒng)

1.2 數(shù)字組件測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字組件是雷達系統(tǒng)中具有某一特定功能的最小單元之一，由印制板和安裝其上的元器件、面板、助拔器、鎖定機構(gòu)及連接器組成，具有防誤插及快速更換的特點。

數(shù)字組件適配器是數(shù)字組件測試系統(tǒng)的基本組成部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。適配器面板左右兩側(cè)設(shè)計有助拔器， 導(dǎo)軌可以起到輔助被測組件插拔和固定被測組件的作用。適配器電路板安裝在盒體中。

圖2 數(shù)字組件適配器結(jié)構(gòu)

操作臺是數(shù)字組件測試系統(tǒng)的核心組成部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字組件測試系統(tǒng)操作臺結(jié)構(gòu)

適配器通過自身助拔器與測試平臺的橫梁配合使用，可以輕松完成適配器在操作臺上的插拔。測試平臺的橫梁上還設(shè)計有導(dǎo)向孔，避免適配器在錯誤的方向進入導(dǎo)槽而損壞測試設(shè)備。

所有的數(shù)字組件適配器具有相同的外形尺寸。適配器可以將組件的不同連接器形式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的PDS型印制電路連接器，從而使不同的組件與測試平臺之間具備了統(tǒng)一的電氣信號連接。通過使用對應(yīng)的適配器和被測件，即可在同一操作臺上完成不同類型、不同功能的組件的性能指標(biāo)測試和故障隔離測試。

1.3 微波組件測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

微波組件是雷達電子設(shè)備中具有某一特定功能的單元，由印制板和安裝其上的元器件、盒體、把手、鎖定機構(gòu)及連接器組成。微波組件測試系統(tǒng)如圖4所示。

微波組件測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。組件測試的過程：將被測組件通過組件安裝夾具插入適配器中，然后通過滑塊在精密軸承滑軌上的滑動來實現(xiàn)適配器(帶被測組件)在操作臺上的推拉，同時采用定位銷精確定位，適配器上的轉(zhuǎn)接背板最終和操作臺上的盲配轉(zhuǎn)接背板可靠連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是操作方便、連接可靠。

圖4 微波組件測試系統(tǒng)

圖5 微波組件測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了提高操作臺的剛強度，操作臺底部采用加強筋設(shè)計，加強筋縱橫交錯，同時操作臺支撐和機柜前后端面同時相連。這樣可以保證操作臺具有良好的剛強度。

適配器面板采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)形式，開關(guān)和指示燈位置統(tǒng)一，印字位置一致，測試系統(tǒng)所有線纜均在適配器內(nèi)部，外觀看不到任何線纜，整個適配器具有整齊劃一、一致性好的特點。

1.3.1 屏蔽設(shè)計

在適配器轉(zhuǎn)接背板和操作臺上的盲配轉(zhuǎn)接背板結(jié)合處，采用導(dǎo)電橡膠板，材質(zhì)為鋁銀(Al/Ag)。鋁銀導(dǎo)電橡膠具有重量輕、屏蔽效能高等特點，不僅具有屏蔽效果，還可以起到緩沖減振作用，有效保護轉(zhuǎn)接背板上的連接器。導(dǎo)電橡膠必須通過一定壓力使導(dǎo)電顆粒接觸才能達到良好的導(dǎo)電性能，所以設(shè)計時既要保證導(dǎo)電橡膠有合適壓力，又不能過壓。同時導(dǎo)電橡膠接觸的兩金屬接合面，必須保持表面的高導(dǎo)電性。

在被測件和組件安裝夾具結(jié)合面采用鈹銅簧片，型號為TP97-975，保證被測件和夾具結(jié)合緊密，接地良好，保證了整個測試系統(tǒng)的安全性。

1.3.2 熱設(shè)計

考慮到微波組件發(fā)熱量較大，測試時需要有散熱措施。下面對微波組件中發(fā)熱量最大的功放組件進行熱分析。

功放組件帶散熱翅部分的尺寸為343 mm × 64 mm × 370 mm(寬×高×深)。

功放組件的發(fā)熱源集中在10個雙路和1個單路的功率管上，雙路功率管發(fā)熱量Q1=30×10=300 W，單路功率管發(fā)熱量Q2=15 W，總發(fā)熱量Q=Q1+Q2=315 W。

熱設(shè)計要求當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時功率管管殼溫度≤75 ℃。

選用5個型號為PAP 614JH的風(fēng)機，冷卻風(fēng)量V為120 m3/h。

散熱翅翅片高H1=30mm，長L=370mm，厚δ=2 mm，翅隙c=9 mm，風(fēng)道寬W=343 mm。則風(fēng)道共有n=(W-δ)/(δ+c)+1=32個翅片，換熱面積F=2×n×(H1+c)×L=0.894 7 m2，迎風(fēng)面積A=(n-1)×H1×c=0.008 37 m2。

設(shè)功放組件進氣量為M=V×ρ，kg/h；25 ℃空氣的密度ρ=1.185 kg/m3。

空氣經(jīng)過翅片在風(fēng)道中的流速：

u=M/(ρ×A)/3 600

(1)

風(fēng)道的當(dāng)量直徑：

de=4×(H1×c)/[2×(H1+c)]

(2)

雷諾數(shù)：

Re=ρ×u×de/μ

(3)

式中：動力粘度μ=18.35×10-6kg/(m·s)。

對流換熱系數(shù)：

h=Nu×λair/de

(4)

式中：Nu為努塞爾數(shù)；λair為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

肋片效率：

m=(2×h)/(λc×δ)0.5

式中：λc為散熱器材料鋁的導(dǎo)熱系數(shù)，λc=162 W/(m·℃)。

肋效率：

ηf=tan(m×H1)/(m×H1)

肋面總效率：

η= [c×L×(n-1)+ηf×2×H1×L×(n-1)]/

[(2×c+2×H1)×L×n]

(5)

傳熱溫差：

ΔTM=Q/(h×F×η)

(6)

同時

ΔTM=(tin-tout)/ln[(t1-tout)/(t1-tin)]

(7)

式中：tin、tout、t1分別為冷卻空氣進出口的溫度和散熱翅片的溫度。

進出口溫差：

tout-tin=Q/(M/3 600×Cp)

(8)

式中：Cp為空氣比熱容，Cp=1 005 J/(kg·℃)。

聯(lián)解式(1)～(8)得：當(dāng)冷卻風(fēng)量為120 m3/h時，散熱翅片的平均溫度t1=46.05 ℃。組件底板和翅片的導(dǎo)熱溫升tdb= 3.94 ℃。底板和功率管安裝面接觸熱阻產(chǎn)生的溫升tw= 14 ℃。功率管自身的溫升tg=2.3 ℃。功率管表面殼體的平均溫度t=t1+tdb+tw+tg=66.29 ℃。

理論計算得到功率管表面溫度為66.29 ℃，同時進行仿真分析，其溫度分布云圖如圖6所示。仿真分析結(jié)果顯示功放組件發(fā)熱量最大的功率管的最高溫度為67 ℃(同理論計算結(jié)果相符)，小于正常工作能承受的溫度75 ℃。功放組件在此溫度下可以正常工作。

圖6 微波組件溫度分布云圖

2 結(jié)束語

本文綜述了雷達組件故障檢測多功能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)點如下：

1)通用性強。該設(shè)計提供了多功能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)平臺，不同功能的適配器具有與測試模塊相似的結(jié)構(gòu)外形與安裝方式，使不同類型、不同功能的組件的性能指標(biāo)測試和故障隔離測試能在同一平臺上完成，大大降低了測試設(shè)備成本。

2)使用方便。所有適配器和功能模塊在裝入和拔出測試平臺時，都可以借助輔助拔插結(jié)構(gòu)輕松完成，并設(shè)計有導(dǎo)向孔避免誤裝配；被測組件通過具有導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌自動準(zhǔn)確定位，導(dǎo)軌上的輔助拔插結(jié)構(gòu)能讓操作者方便地進行拔插。

3)安全性好。微波組件測試系統(tǒng)采用屏蔽設(shè)計，保證被測件和夾具結(jié)合緊密，接地良好。提高了測試系統(tǒng)的安全性。

本測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的通用性和可擴展性，適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計共獲得3項外觀專利，2項實用新型專利。今后的工作是將本測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想進行擴展，推廣到其他種類雷達，并進一步優(yōu)化，從而提高雷達測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體水平。

需要指出的是，測試系統(tǒng)的通用化程度由所測裝備的通用化程度決定，若要徹底改善測試系統(tǒng)的通用性，提高被測裝備的通用化、模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化水平才是解決問題的根本途徑。

[1] 王勇, 王守權(quán), 葉靈偉, 等. 某型雷達自動測試系統(tǒng)適配器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2009(4): 711-714.

[2] 廖捷, 張琦, 吳建軍, 等. 工程裝備通用自動測試系統(tǒng)設(shè)計[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報, 2007, 8(3): 288-291.

[3] 鄭玉航, 于海燕, 鄭靈通, 等. 綜合測試與智能診斷系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2010(25): 150-152.

[4] 李行善, 左毅, 孫杰, 等. 自動測試系統(tǒng)集成技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

盧德輝(1976-)，碩士，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Structure Design of Multi-function Test System for Radar Component Fault Detection

LU De-hui，YANG Zhi-qian，ZHANG Yong-bo，WANG Xin-hai

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

Structure design is the foundation of radar test and maintenance system. Good structure design would make the development of the whole test and maintenance system easier and more efficient. The key elements of this structure design are universality, convenience and safety. This paper summarizes the structure design of a radar test and maintenance system. A novel design for the adapter of digital and microwave components is put forward. The system is universal, combinative, well integrated, highly extensible, safe and practical. The success of this system would provide an effective method for similar design.

component; test system; adapter

2012-11-08

TN06

A

1008-5300(2013)03-0017-04