大型相控陣天線模塊化設(shè)計(jì)*

顧葉青，唐寶富，王 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣天線模塊化設(shè)計(jì)*

顧葉青，唐寶富，王 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣天線設(shè)備量大、系統(tǒng)復(fù)雜，因而具有研制周期長(zhǎng)、成本高、使用維護(hù)復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已難以滿足陣面設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)而在陣面設(shè)計(jì)中發(fā)展并廣泛采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。模塊逐漸從結(jié)構(gòu)性模塊發(fā)展到功能性模塊，目前已基本實(shí)現(xiàn)了大型相控陣天線的模塊化設(shè)計(jì)。文中以2個(gè)大型相控陣天線陣面為例，詳細(xì)介紹了模塊化設(shè)計(jì)的巨大優(yōu)勢(shì)，并提出了相控陣天線模塊化設(shè)計(jì)需要繼續(xù)深入開展的工作。

大型相控陣天線；模塊化設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)

引 言

大型有源相控陣?yán)走_(dá)是國家彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中地基雷達(dá)的關(guān)鍵裝備，而有源相控陣天線無疑是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心。相控陣天線上布置著大量的電子設(shè)備，涉及到微波、控制、電源和冷卻等多個(gè)分系統(tǒng)，是典型的多學(xué)科綜合的復(fù)雜電子裝備。大型相控陣?yán)走_(dá)天線具有設(shè)備種類和數(shù)量多，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜等典型特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致其研制周期長(zhǎng)、成本高、使用維護(hù)復(fù)雜[1]。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的不斷更新，對(duì)雷達(dá)天線的要求越來越高，過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念面對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)顯得力不從心，天線設(shè)計(jì)需要尋找到合適的設(shè)計(jì)方法來確保產(chǎn)品研制的新需求。

近年來，隨著精益設(shè)計(jì)、智能制造及大批量定制的興起和發(fā)展，模塊化設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用已被廣泛關(guān)注，尤其是信息時(shí)代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)理念和方法，自20世紀(jì)70年代在美歐發(fā)達(dá)國家興起以來，已滲透到設(shè)計(jì)的各領(lǐng)域。在國外軍工領(lǐng)域，模塊與模塊化已形成理論分析、設(shè)計(jì)生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等一套完整體系，并為新形勢(shì)下多品種、小批量、需不斷改型列裝的裝備的研制生產(chǎn)提供了有效的方法[2-4]。對(duì)于大型有源相控陣?yán)走_(dá)天線，模塊化設(shè)計(jì)可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，并使設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌騻鬟f和繼承，以利于進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平，提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

本文以大型相控陣天線陣面為應(yīng)用目標(biāo)，把模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)靈活運(yùn)用到天線陣面設(shè)計(jì)中，以具體設(shè)計(jì)實(shí)例說明模塊化技術(shù)的優(yōu)越性以及在大型相控陣天線設(shè)計(jì)中的廣闊應(yīng)用前景。

1 模塊化技術(shù)研究進(jìn)展

雷達(dá)模塊化在西方發(fā)達(dá)國家都有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，尤以美國最為突出。20世紀(jì)60年代初，美國空軍提出了“低成本模塊化”概念。20世紀(jì)70年代，海軍發(fā)起了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電子模塊(SEM)技術(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)艦載海面搜索雷達(dá)系列的項(xiàng)目，隨后，美國多家雷達(dá)公司都按“低成本模塊化雷達(dá)”概念研制了SEM驗(yàn)證型雷達(dá)。在此基礎(chǔ)上，從20世紀(jì)70年代到80年代末，美國的西屋電氣公司、休斯飛機(jī)、愛默生電子都為美軍研制了一至三代模塊化雷達(dá)，模塊化程度不斷提高。美國新一代的Pave Pillar“模塊化綜合航電計(jì)劃”已在四代機(jī)F-22中實(shí)施應(yīng)用[5]。

在相控陣天線方面，美國在對(duì)反導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)20多年的相繼開發(fā)過程中，造就了地基雷達(dá)(GBR)天線的系列化和模塊化。在GBR的十多個(gè)型號(hào)中，大多采用了規(guī)格化的天線陣模塊，很多后續(xù)型號(hào)的雷達(dá)沿用和借鑒了前期產(chǎn)品T/R組件等硬件和軟件技術(shù)成果。這對(duì)縮短研制周期，提高性能和節(jié)約成本都有積極的意義。在硬件的模塊化繼承中，天線陣面的T/R組件和T/R單元子陣最為引人注目。雷神公司在末端高空區(qū)域防御系統(tǒng)和國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的GBR中采用了同一種T/R組件、T/R單元子陣和天線陣模塊，用搭積木的方式，根據(jù)性能需求，構(gòu)建了多種性能的陣列孔徑雷達(dá)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和軍事效果。

在國內(nèi)，模塊化設(shè)計(jì)工作在20世紀(jì)90年代初才逐漸引起重視并逐漸被廣泛采用。在軍用雷達(dá)領(lǐng)域也進(jìn)行了相關(guān)開發(fā)設(shè)計(jì)工作[6-7]，但整體水平與歐美發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大的差距。

2 大型相控陣天線模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)以部件、零件組成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，而是按照模塊化的理念設(shè)計(jì)產(chǎn)品，產(chǎn)品由模塊組成，模塊是構(gòu)成產(chǎn)品的基本單元。首先，采用系統(tǒng)的觀念從系統(tǒng)頂層到底層將設(shè)備分解成不同層次的功能模塊；同時(shí)需從系統(tǒng)的底層向頂層進(jìn)行模塊需求分析，對(duì)同類和功能/結(jié)構(gòu)相似設(shè)備進(jìn)行對(duì)比、歸類，合理劃分模塊。然后，通過對(duì)同類和相近設(shè)備間的模塊進(jìn)行橫向協(xié)調(diào)和綜合分析，按各模塊層次結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的模塊體系。

大型有源相控陣天線陣面總體設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)T/R單元陣列，采用自頂向下的系統(tǒng)方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合電訊功能需求與結(jié)構(gòu)要求，對(duì)陣面采用迭代優(yōu)化的方法將大規(guī)模天線劃分為若干天線子陣模塊。通常把大規(guī)模天線陣面先劃分為多個(gè)子陣面，再把每個(gè)子陣面劃分為若干個(gè)子陣模塊，子陣模塊由基本的T/R單元陣列組成，模塊之間的互聯(lián)遵循模塊內(nèi)部強(qiáng)耦合而模塊之間弱耦合的原則，使模塊化相控陣天線具有可擴(kuò)展、可重組的功能。

大型相控陣?yán)走_(dá)天線一般采用固定式結(jié)構(gòu)，但少數(shù)雷達(dá)也有可搬移重新布署的需求。由于天線口徑巨大，為便于加工、調(diào)試、運(yùn)輸、安裝，天線陣面必須采用分級(jí)模塊化設(shè)計(jì)。如何合理地進(jìn)行模塊劃分是天線結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。模塊劃分的基本思路通常是：從功能或者結(jié)構(gòu)的角度將產(chǎn)品劃分為若干基本單元，再采用適當(dāng)?shù)木垲惙椒▽⒒締卧垲悶槟K。大型相控陣?yán)走_(dá)天線的模塊劃分通常有結(jié)構(gòu)性分塊和功能性分塊2種方法。

1)結(jié)構(gòu)性分塊主要從加工、裝配、運(yùn)輸?shù)慕嵌瓤紤]，陣面的各組成部分各自分塊，分塊本身不具備完整功能。各組成部分獨(dú)立包裝運(yùn)輸，陣地現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試。

2)功能性分塊不僅要從加工、裝配、運(yùn)輸方便性的角度考慮，還需考慮各分塊的功能。因此，功能性分塊需將天線陣面的各組成部分統(tǒng)一分塊，形成一個(gè)整體子陣面，各分塊本身具備完整功能，便于在工廠裝配與調(diào)試。子陣面就是一個(gè)運(yùn)輸單元，陣地拼裝、調(diào)試工作量小，不僅可實(shí)現(xiàn)大型相控陣?yán)走_(dá)天線快速拆裝和重新布署，而且可組合成不同口徑的天線，滿足不同的功能需求。

3 天線模塊化設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 某大型有源相控陣天線

某典型的大型有源相控陣天線(見圖1)以4×4的16單元子陣為單個(gè)子陣模塊，將一個(gè)子陣的陣列單元與T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、波控、電源等設(shè)備集成在一起，形成一個(gè)如圖2所示的單個(gè)子陣模塊。為了便于子陣模塊的安裝與調(diào)試，將子陣模塊設(shè)計(jì)成整體框架結(jié)構(gòu)形式，該子陣模塊中的T/R組件(見圖3)等設(shè)備均可進(jìn)一步設(shè)計(jì)成模塊結(jié)構(gòu)，方便其在框架中插拔和維護(hù)。

圖1 某大型相控陣天線

圖2 子陣模塊

圖3 T/R組件

在此基礎(chǔ)上，整個(gè)陣面采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。天線骨架是由工字鋼焊成的框架方格結(jié)構(gòu)，每個(gè)子陣模塊嵌入到對(duì)應(yīng)的框架格子中。通過模塊化設(shè)計(jì)，天線單元和其他設(shè)備按功能分塊，會(huì)在很多方面帶來好處。首先，天線陣面是由若干個(gè)子陣構(gòu)成，不同的子陣數(shù)可以很方便地組合出不同的天線口徑，實(shí)現(xiàn)了天線陣面的模塊組合化；其次，子陣模塊具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和性能，不僅方便了調(diào)試，而且簡(jiǎn)化了陣面布線設(shè)計(jì)；再次，子陣模塊尺寸較小，為加工與運(yùn)輸、陣地現(xiàn)場(chǎng)的安裝部署等工作提供了便利，大幅縮短了施工周期，提高了效率。

3.2 某遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)天線

某遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)天線陣面采用縱橫向2維分塊集成設(shè)計(jì)(見圖4)，實(shí)現(xiàn)了大型天線陣面由單個(gè)較小子陣功能模塊向大型功能模塊集成設(shè)計(jì)的革新。該天線陣面由多個(gè)大型子陣面拼裝而成，每個(gè)大型子陣面由天線單元、T/R組件、電源組件、綜合網(wǎng)絡(luò)及陣面冷卻管網(wǎng)等組成(見圖5)。子陣面骨架采用密閉箱體結(jié)構(gòu)，為陣面設(shè)備提供防護(hù)，單個(gè)子陣面具有完整的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)也是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)輸單元。不同數(shù)量的子陣面可拼裝出不同口徑的天線。同時(shí)子陣面可以工廠調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，大大縮短了雷達(dá)天線現(xiàn)場(chǎng)整架時(shí)間和維修時(shí)間。

圖4 某遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣天線

圖5 天線子陣面

3.3 實(shí)例中模塊化方法比較分析

模塊化設(shè)計(jì)方法在上述2個(gè)大型相控陣天線中的應(yīng)用較為典型，它們有著各自的特點(diǎn)：1)以單個(gè)子陣模塊為基本模塊單元對(duì)陣面進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)更加便于靈活組合出不同口徑的天線陣面，單個(gè)子陣模塊的調(diào)試和維護(hù)相對(duì)比較方便和靈活，但外場(chǎng)架設(shè)、調(diào)試工作量較大；2)以大型子陣面模塊為基本模塊單元的天線陣面集成度高，子陣面模塊的調(diào)試和維護(hù)可在工廠提前進(jìn)行，大大縮短了外場(chǎng)工作量，但以大型子陣面為基本模塊組合出天線口徑的靈活性相對(duì)較低。

分析可見，對(duì)天線進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)在大型相控陣天線的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)等方面都具有巨大的優(yōu)勢(shì)。大型天線陣面按照子陣面功能對(duì)其進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，并按照多級(jí)模塊化進(jìn)行集成，可將大型相控陣天線研制的設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試與架設(shè)過程變繁為簡(jiǎn)、變難為易，并可將設(shè)計(jì)和調(diào)試過程由串行變?yōu)椴⑿?，縮短產(chǎn)品研制周期。采用模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)天線陣面還便于在產(chǎn)品研制初期設(shè)計(jì)出模塊化的試驗(yàn)陣，較早地釋放產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，采用模塊化設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)天線陣面研制全流程的精益化。

4 結(jié)束語

模塊化是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，該設(shè)計(jì)方法作為一種高效的設(shè)計(jì)方法，已在大型相控陣天線設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用并展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)在天線陣面上的應(yīng)用現(xiàn)狀，天線模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向主要有以下2個(gè)方面：

1)制定總線標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范設(shè)計(jì)接口，逐步設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的天線子陣模塊；

2)以各通用模塊為基本單元構(gòu)建不同需求的產(chǎn)品，逐步建立實(shí)用的雷達(dá)天線系統(tǒng)模塊庫，最終實(shí)現(xiàn)全模塊化的相控陣天線產(chǎn)品。

[1] 唐寶富, 顧葉青, 王超. 智能結(jié)構(gòu)在相控陣天線陣面中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2014, 36(11): 8-10.

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顧葉青(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛性聪嗫仃囮嚸娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

唐寶富(1967-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€及微波結(jié)構(gòu)。

王 超(1984-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)橛性聪嗫仃囮嚸娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Modular Design for Large Phased Array Antenna

GU Ye-qing，TANG Bao-fu，WANG Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Due to large amount of equipment and complex system, large phased array antenna has the characteristics of long development period, high cost and complex operation and maintenance. Traditional design method has been difficult to meet the antenna design requirements, so modular design method is developed and widely used in the design of large phased array antenna. Modules created in the design gradually extend from structural module to functional module, and the modular design of large phased array antenna is basically realized at present. With two typical large phased array antennas as examples, great advantages of modular design are revealed comparing to traditional method, and some further in-depth studies needed for phased array antenna modular design are proposed.

large phased array antenna; modular design; development trend

2016-01-11

TN823+.27

A

1008-5300(2016)02-0001-03