典型低頻段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

唐 敖，王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

典型低頻段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

唐 敖，王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中研究了低頻段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以某典型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)為例，具體介紹了收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)解決方法及相關(guān)的仿真分析。通過(guò)綜合應(yīng)用模塊化、輕小型化、電液一體化盲插、穿通液冷模塊等技術(shù)方法，成功解決了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一系列技術(shù)難題。文中的設(shè)計(jì)思路和方法可供同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考和借鑒。

雷達(dá)；收發(fā)系統(tǒng)；一體化盲插；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)具有系統(tǒng)效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強(qiáng)、高可靠性等顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的特點(diǎn)，因此隨著雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，相控陣?yán)走_(dá)已成為機(jī)載雷達(dá)的主要發(fā)展方向[1]。

收發(fā)系統(tǒng)包括低頻段相控陣?yán)走_(dá)的全部T/R通道及其電源設(shè)備，是低頻段機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的核心。機(jī)載雷達(dá)對(duì)重量、空間、維修性等均有嚴(yán)格的限制，因此收發(fā)系統(tǒng)需要采用模塊化、輕小型化、電液一體化盲插等多種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法來(lái)滿足裝機(jī)要求；同時(shí)載機(jī)的機(jī)械及溫度環(huán)境惡劣，在輕小型化的同時(shí)，還需優(yōu)化結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其環(huán)境適應(yīng)性。本文以某典型低頻段機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)為例，介紹了收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)解決方法及相關(guān)的仿真分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)需求

為滿足裝機(jī)適應(yīng)性要求，需充分實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕小型化，以達(dá)到系統(tǒng)的體積、重量指標(biāo)；功率芯片結(jié)溫滿足二級(jí)降額要求；振動(dòng)、沖擊等機(jī)械環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)安全裕度需大于1.5。

1.2 組成與布局

收發(fā)系統(tǒng)包括96個(gè)收發(fā)通道，以及相應(yīng)的電源設(shè)備。通過(guò)模塊化和輕小型化設(shè)計(jì)，將收發(fā)系統(tǒng)設(shè)備集成為6個(gè)16通道收發(fā)模塊、1個(gè)整流電源和4個(gè)收發(fā)電源；通過(guò)電液一體化技術(shù)將上述模塊集成盲插在一個(gè)綜合機(jī)架內(nèi)。收發(fā)系統(tǒng)外形如圖1所示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.3.1 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，用標(biāo)準(zhǔn)化原理把相同或相似的功能單元統(tǒng)一、歸并、簡(jiǎn)化形成通用單元的一種機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法[2]。該收發(fā)系統(tǒng)功能復(fù)雜，設(shè)備量大，因此為滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、重量以及維修性等技術(shù)指標(biāo)的要求，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)將16通道收發(fā)組件、接口、波控等功能集成在一個(gè)模塊內(nèi)，簡(jiǎn)化互聯(lián)，減少設(shè)備量；合理劃分電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將整流電源及收發(fā)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成與收發(fā)模塊同高度、同深度、不同寬度的標(biāo)準(zhǔn)模塊，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)在綜合機(jī)架上的集成安裝。

1.3.2 輕小型化設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)的重量、體積均受到嚴(yán)格限制，因此必須實(shí)現(xiàn)輕小型化才能滿足裝機(jī)要求。

收發(fā)系統(tǒng)輕小型化主要采取了以下措施：1)通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能合并和多通道集成，減少設(shè)備量；2)使用高功率小型化機(jī)載電源，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的輕小型化；3)模塊、機(jī)架選用高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金材料，減輕結(jié)構(gòu)件重量；4)結(jié)合力學(xué)仿真，優(yōu)化模塊、機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量。

1.3.3 電液一體化盲插設(shè)計(jì)

收發(fā)模塊、整流電源、收發(fā)電源等可更換單元與機(jī)架之間采用電液一體化盲插，可提高收發(fā)系統(tǒng)的連接可靠性和實(shí)現(xiàn)快速維修。電氣、液冷盲插連接器一體化安裝，分層安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及高精度控制等方法，解決了多種、多組盲插連接器同時(shí)對(duì)接的尺寸匹配及精度控制問(wèn)題，滿足電、液連接器一體化盲插的接觸可靠性要求，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的電液一體化盲插連接[3]。

1.3.4 維修性設(shè)計(jì)

通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)減少外場(chǎng)可更換單元的種類；通過(guò)電液一體化盲插實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)可更換單元的前向快速維修，設(shè)備可達(dá)性好。所有模塊重量不大于15 kg，滿足人機(jī)工程要求，便于維修。模塊與機(jī)架采用前面板松不脫鎖緊螺釘和后面板定位銷的連接方式，實(shí)現(xiàn)快鎖快卸，進(jìn)一步縮短維修時(shí)間。

1.3.5 電磁兼容性設(shè)計(jì)

各模塊均采用鋁合金整體成型的機(jī)殼，蓋板與機(jī)殼接縫處采用導(dǎo)電屏蔽襯墊，并控制螺釘間距；模塊內(nèi)部不同通道之間通過(guò)腔體隔離，避免串?dāng)_；機(jī)架、模塊機(jī)殼、蓋板等均采用導(dǎo)電氧化，提高導(dǎo)電屏蔽性能；機(jī)架整體與飛機(jī)地設(shè)計(jì)專用接地線。

1.3.6 熱設(shè)計(jì)

收發(fā)系統(tǒng)熱耗占雷達(dá)系統(tǒng)熱耗的80%，整體熱耗大，載機(jī)為提高散熱效率，提供了強(qiáng)迫液冷資源。收發(fā)模塊及電源模塊集成度均很高，造成單個(gè)模塊熱耗大，達(dá)到1 kW以上；收發(fā)模塊組裝密度高，熱流密度較傳統(tǒng)集成電路要高得多[4]，達(dá)到80 W/cm2。因此，為進(jìn)一步提高冷卻效能，收發(fā)系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)為穿通液冷模塊。功率芯片直接安裝在模塊冷板上，同時(shí)優(yōu)化連接方式，減小接觸熱阻，從而降低功率芯片結(jié)溫，滿足降額設(shè)計(jì)的要求。

2 收發(fā)系統(tǒng)仿真分析

2.1 力學(xué)分析

2.1.1 有限元模型建立

綜合機(jī)架和收發(fā)單元、收發(fā)電源、整流電源的殼體均采用鋁合金6061(T651)，屈服強(qiáng)度≥276 MPa，根據(jù)載機(jī)安全性設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全裕度大于1.5。對(duì)收發(fā)系統(tǒng)模型采用專業(yè)前處理軟件ICEM CFD劃分網(wǎng)格，為準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)情況，綜合機(jī)架、收發(fā)單元、收發(fā)電源、整流電源等均采用實(shí)體單元，并采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對(duì)綜合機(jī)架與飛機(jī)連接位置，模塊前面板與綜合機(jī)架連接位置均采用固支約束，對(duì)模塊后面板與綜合機(jī)架連接的定位銷位置則釋放軸向平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。有限元模型如圖2所示。

圖2 收發(fā)系統(tǒng)有限元模型

2.1.2 沖擊分析

根據(jù)該雷達(dá)的機(jī)械環(huán)境技術(shù)要求，收發(fā)系統(tǒng)承受沖擊的條件如下：波形為半正弦波；峰值加速度為15g；持續(xù)時(shí)間為(11±2)ms。

首先對(duì)收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真。瞬態(tài)分析求解采用完全法，計(jì)算19.8 ms內(nèi)各載荷步的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以捕捉到?jīng)_擊響應(yīng)的拐點(diǎn)和峰值。

圖3給出了收發(fā)系統(tǒng)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，收發(fā)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在9 ms附近。

圖3 收發(fā)系統(tǒng)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程

分別提取收發(fā)系統(tǒng)3個(gè)方向的最大應(yīng)力值，以校驗(yàn)各零部件在經(jīng)歷沖擊載荷時(shí)的安全性。收發(fā)系統(tǒng)在各個(gè)方向沖擊條件下的應(yīng)力如表1所示。

表1 收發(fā)系統(tǒng)沖擊條件下最大應(yīng)力

仿真結(jié)果表明，收發(fā)系統(tǒng)在Y向沖擊下，在綜合機(jī)架與飛機(jī)的連接螺栓孔處產(chǎn)生最大應(yīng)力70.8 MPa，安全系數(shù)3.9，滿足大于1.5的要求。該工況下的變形與應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 Y向沖擊條件下變形與應(yīng)力云圖

2.1.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)該雷達(dá)的機(jī)械環(huán)境技術(shù)要求，收發(fā)系統(tǒng)承受振動(dòng)的條件參照GJB 150.16A—2009中螺旋槳飛機(jī)的振動(dòng)條件。

隨機(jī)振動(dòng)分析采用ANSYS中譜分析的PSD分析功能，隨機(jī)振動(dòng)以概率理論為基礎(chǔ)，分析的輸入輸出都具有隨機(jī)概率特性[5]。對(duì)收發(fā)系統(tǒng)施加隨機(jī)振動(dòng)載荷譜，選取結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為0.03，分別對(duì)3個(gè)方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，獲得最大應(yīng)力的1σ解。收發(fā)系統(tǒng)在3個(gè)方向振動(dòng)條件下的最惡劣情況如表2所示。

表2 收發(fā)系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)條件下最大應(yīng)力

仿真結(jié)果表明，收發(fā)系統(tǒng)在Y向隨機(jī)振動(dòng)下，在綜合機(jī)架與飛機(jī)的連接螺栓孔處產(chǎn)生最大應(yīng)力141 MPa，安全系數(shù)1.96，滿足大于1.5的要求。該工況下的變形與應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 Y向隨機(jī)振動(dòng)條件下變形與應(yīng)力云圖

2.2 熱分析

收發(fā)系統(tǒng)中收發(fā)模塊熱耗及熱流密度較高，因此應(yīng)用專業(yè)熱力學(xué)仿真軟件Icepak對(duì)其進(jìn)行分析驗(yàn)證。功率器件二級(jí)降額結(jié)溫要求不大于110 ℃。單通道功率管平均熱耗90 W(1個(gè)收發(fā)模塊熱耗1 440 W)，熱流密度80 W/cm2。流體力學(xué)仿真分析表明收發(fā)模塊冷卻液流量為0.26 m3/h，入口溫度40 ℃。

依據(jù)收發(fā)模塊冷板上功率管及其他熱源分布，通過(guò)Icepak進(jìn)行建模和仿真。由仿真結(jié)果圖6可知，功率管殼溫最高為82.4 ℃。

圖6 收發(fā)模塊冷板表面溫度分布

功率管由結(jié)殼熱阻產(chǎn)生的溫升ΔT結(jié)殼=θ×Q=0.15×90=13.5 ℃，θ為結(jié)殼熱阻，Q為功率管平均熱耗。因此功率管結(jié)溫T結(jié)=T+ΔT結(jié)殼=82.4+13.5=95.9 ℃，T為功率管殼溫。因此功率管結(jié)溫滿足不大于110 ℃的二級(jí)降額要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、輕質(zhì)材料應(yīng)用、電液一體化盲插等技術(shù)手段，是實(shí)現(xiàn)低頻段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)體積、重量、維修性等裝機(jī)指標(biāo)的有效方法。全系統(tǒng)液冷、穿通液冷模塊、傳熱路徑優(yōu)化結(jié)合熱學(xué)仿真，可解決收發(fā)系統(tǒng)高熱耗、高熱流密度難題。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合力學(xué)仿真，可確保收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足惡劣機(jī)械環(huán)境要求。

本文的技術(shù)方案成功解決了典型低頻段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)系統(tǒng)面臨的空間、重量資源緊張，振動(dòng)環(huán)境惡劣，維修性、熱設(shè)計(jì)要求高等技術(shù)難題，其設(shè)計(jì)思想對(duì)同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 錢宣, 孫為民, 方紅梅. 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2012, 34(9): 66-68.

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唐 敖(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of Typical T/ R System for Low Frequency Band Airborne Phased Array Radar

TANG Ao，WANG Xian-zhou

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The structural design of T/R system for low frequency band airborne phased array radar is studied in this paper. The structural design scheme, key technologies solution and related simulation analysis of the T/R system are also presented in detail with a typical airborne phased array radar T/R system as example. A series of technique difficulties in the structural design of T/R system are successfully solved by incorporating technologies such as modular design, light-small design, electricity-liquid integrated blind-mating and run-through liquid cooling module. The basic idea and method in this paper can provide reference for similar products design.

radar; T/R system; integrated blind-mating; structural design

2016-08-09

TN958.92

A

1008-5300(2016)05-0047-03