某相控陣天線(xiàn)可靠性控制

鄭蒨

摘要：某衛(wèi)星是一顆具備高分辨率成像能力的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像衛(wèi)星，也是我國(guó)首顆設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年的低軌C頻段多極化高分辨率微波遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星SAR有源相控陣天線(xiàn)采用可折疊二維有源相控天線(xiàn)陣體制。本文介紹了該星載相控陣天線(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)以及評(píng)估試驗(yàn)情況，針對(duì)其開(kāi)展分析，梳理其主要故障模式，提出相應(yīng)的可靠性評(píng)估模型和方法；通過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，采集了產(chǎn)品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)該相控陣天線(xiàn)開(kāi)展可靠性評(píng)估并給出了該星載相控陣天線(xiàn)在軌可靠性壽命結(jié)果。本文的方法對(duì)其他有源相控天線(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)有極大的借鑒作用。

Abstract： The satellite is a polarimetric SAR working in C band with high SAR imaging ability， it is also the first C band remote sensing satellite designed up to 8 years life. The active phased antenna of the SAR deployed the two dimensions active phased arrays. The reliability design and evaluations of corresponding tests about satellite are introduced in this paper. Through main malfunction analysis， the reliability evaluation pattern and method are proposed. Through reliability validation， the ground experiment results are obtained. The orbiting reliability life is also obtained according to the reliability evaluation of the space borne phased array antenna. In addition， our proposed method provides a significant reference for reliability design of AESA.

關(guān)鍵詞：星載合成孔徑雷達(dá)；相控陣天線(xiàn)；可靠性；建模

Key words： satellite SAR；phased array antennas；reliability；establish model

中圖分類(lèi)號(hào)：TN821+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0131-03

0 引言

某衛(wèi)星是我國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星能夠全天候?qū)崿F(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，并通過(guò)左右姿態(tài)機(jī)動(dòng)提升快速響應(yīng)能力、擴(kuò)大對(duì)地觀(guān)測(cè)范圍。其獲取的C頻段多極化SAR圖像可以用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域。

該衛(wèi)星是我國(guó)首顆設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年的低軌長(zhǎng)壽命衛(wèi)星，其SAR天線(xiàn)采用了開(kāi)展開(kāi)平面二維掃描固態(tài)有源相控陣天線(xiàn)體制。該SAR天線(xiàn)由天線(xiàn)子陣、TR組件、延時(shí)放大組件、波束控制器及波控單元、射頻收發(fā)及定標(biāo)饋電網(wǎng)絡(luò)、二次電源、天線(xiàn)配電器、高低頻電纜網(wǎng)、有源安裝板、結(jié)構(gòu)框架、展開(kāi)機(jī)構(gòu)和熱控等部分組成。天線(xiàn)陣面分為4塊可展開(kāi)面板，其中ab面板組成天線(xiàn)陣面-X翼，cd面板組成天線(xiàn)陣面+X翼，其組成關(guān)系如圖1所示。

1 相控陣天線(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)

由于該衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年，對(duì)SAR天線(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)提出了很高要求。該有源相控陣天線(xiàn)所選用的元器件滿(mǎn)足衛(wèi)星任務(wù)質(zhì)量等級(jí)要求，部件和設(shè)備的可靠性保證符合8年設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。該有源相控陣天線(xiàn)采用硬件冗余設(shè)計(jì)、功能冗余設(shè)計(jì)和軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)，消除系統(tǒng)級(jí)單點(diǎn)故障，對(duì)不能消除的單點(diǎn)故障采取有效措施降低其失效概率。

該星載SAR天線(xiàn)所有部件和設(shè)備具有所規(guī)定的可靠性設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)，關(guān)鍵部件，如TR組件、延時(shí)放大組件、波控單元、驅(qū)動(dòng)放大器、波束控制器、天線(xiàn)配電器和二次電源經(jīng)過(guò)了可靠性試驗(yàn)，證明了其可靠性設(shè)計(jì)和指標(biāo)。

1.1 可靠性設(shè)計(jì)和建模

該星載C頻段多極化SAR有源相控陣天線(xiàn)在總體設(shè)計(jì)和各單元設(shè)計(jì)中采取冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性。經(jīng)計(jì)算，陣面通道等效失效10%時(shí)，陣面性能下降不明顯。

TR組件、延時(shí)放大組件、波控單元等數(shù)量較多的部件都采取表決冗余設(shè)計(jì)。二次電源、波束控制器、驅(qū)動(dòng)放大器內(nèi)部采取冷備或熱備冗余。天線(xiàn)配電器加電開(kāi)關(guān)電路利用繼電器雙并聯(lián)備份，使能開(kāi)關(guān)電路的冗余設(shè)計(jì)包括使能繼電器的兩并兩串以及單個(gè)繼電器的兩組觸點(diǎn)并聯(lián)備份，天線(xiàn)配電器接收OBDH和監(jiān)控定時(shí)器的控制指令均能實(shí)現(xiàn)對(duì)陣面二次電源的使能控制，在控制方式上具備冗余。

該衛(wèi)星SAR天線(xiàn)全陣面工作時(shí)，在TR通道和天線(xiàn)單元中，允許失效1.95%；TR供電+TR波控允許失效2.1%；延遲放大組件中允許失效3.1%；波控單元允許失效2.1%，合計(jì)最壞情況允許9.2%個(gè)TR通道不能正常工作。經(jīng)過(guò)對(duì)天線(xiàn)仿真計(jì)算，10%以?xún)?nèi)TR通道不能正常工作，天線(xiàn)性能能滿(mǎn)足要求；另外陣面二次電源、天線(xiàn)配電器、1：4功分器，1：6功分器，單翼電橋，波束控制器，驅(qū)動(dòng)放大器，1套展開(kāi)機(jī)構(gòu)和1套熱控系統(tǒng)為可靠性性串聯(lián)模型。高低頻電纜的可靠性合并在各單元中計(jì)算，定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)自檢用不計(jì)入系統(tǒng)可靠性。SAR天線(xiàn)其可靠性框圖見(jiàn)圖2?？煽啃詳?shù)學(xué)模型為

R天線(xiàn)（t）=R1·R2·R3·R4·R5·R6·R7·R8·R9·R10·R11·R12·R13

其中，表決冗余的R1、R2、R3、R4可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式中：R天線(xiàn)（t）表示SAR天線(xiàn)的可靠度；

n為單元總數(shù)；k為要求正常工作的單元數(shù)。

1.2 SAR天線(xiàn)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

該SAR天線(xiàn)在軌道上運(yùn)行8年時(shí)間，在軌工作時(shí)間累計(jì)不小于用戶(hù)需求時(shí)間的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果為0.9113，滿(mǎn)足可靠度指標(biāo)要求。

2 該星載SAR天線(xiàn)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

按SAR天線(xiàn)壽命試驗(yàn)要求，SAR天線(xiàn)中波控單元、驅(qū)動(dòng)放大器、TR組件、波束控制器、延時(shí)放大組件開(kāi)展了8年壽命摸底試驗(yàn)。該天線(xiàn)壽命摸底試驗(yàn)采用鑒定產(chǎn)品，試件由1個(gè)極化的天線(xiàn)模塊（含8個(gè)4通道TR組件、4個(gè)延時(shí)放大組件、1個(gè)波控單元、1個(gè)陣面二次電源、1套饋電網(wǎng)絡(luò)、1套電纜組件）、1個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器、1個(gè)波束控制器、1個(gè)天線(xiàn)配電器組成一個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)。

基準(zhǔn)工作溫度為45℃，工作時(shí)間大于5500h，采用加速壽命試驗(yàn)，加速壽命試驗(yàn)溫度選取65℃，加速壽命時(shí)間為大于500h。

為了確保整個(gè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在65℃左右，做壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)箱有10個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)檢測(cè)位置安裝在冷板上的波束控制器、二次電源、波控單元、驅(qū)動(dòng)放大器和天線(xiàn)配電器上。

3 可靠性試驗(yàn)結(jié)果

在壽命試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)所有天線(xiàn)射頻接收通道的基態(tài)的幅度和相位進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)移相衰減態(tài)進(jìn)行了測(cè)試記錄，第一階段壽命試驗(yàn)結(jié)束，再次對(duì)所有TR接收通道的基態(tài)的幅度和相位進(jìn)行了測(cè)試記錄，并對(duì)移相衰減態(tài)進(jìn)行了測(cè)試記錄，并對(duì)每個(gè)態(tài)位的移相衰減精度進(jìn)行了計(jì)算和比較。

圖5、圖6為低、中、高三個(gè)頻點(diǎn)的32個(gè)TR通道的幅相誤差數(shù)據(jù)隨壽命試驗(yàn)時(shí)間變化圖。從圖中可以得到以下結(jié)論：幅度誤差在8年壽命時(shí)間變化范圍為[-0.15dB，0.15dB]，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。相位誤差在8年壽命時(shí)間變化范圍為[-8°，2°]，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖7、圖8為試驗(yàn)前后衰減和移相精度結(jié)果，天線(xiàn)射頻通道衰減精度在±1dB以?xún)?nèi)，移相精度在±5°左右。

圖9、圖10可以看出，在試驗(yàn)過(guò)程中，控溫措施有效，各單機(jī)溫度基本控制在65±1.5℃范圍內(nèi)。

4 試驗(yàn)進(jìn)程

某星載SAR有源相控陣天線(xiàn)壽命試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第一階段為壽命加速試驗(yàn)；第二階段為額外壽命加速試驗(yàn)。第一階段壽命加速試驗(yàn)驗(yàn)證了某星載SAR有源相控陣天線(xiàn)可以在軌道上無(wú)故障運(yùn)行8年以上時(shí)間，第二階段壽命加速試驗(yàn)用于驗(yàn)證SAR天線(xiàn)可以在軌道上無(wú)故障運(yùn)行10年以上時(shí)間。第一階段和第二階段的壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：所有單機(jī)工作正常，射頻性能沒(méi)有明顯下降。該星載SAR有源相控陣天線(xiàn)預(yù)計(jì)壽命可以達(dá)到15年以上。

5 總結(jié)

本文將可靠性設(shè)計(jì)理論用于某星載SAR有源相控陣天線(xiàn)工程實(shí)際，圍繞天線(xiàn)口徑幅度和相位誤差精度可靠性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，該星載SAR有源相控陣天線(xiàn)可靠性指標(biāo)完全滿(mǎn)足衛(wèi)星應(yīng)用的要求，所用的設(shè)計(jì)方法和可靠性試驗(yàn)方法對(duì)其他相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)可靠性控制有積極的指導(dǎo)意義。

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