模塊化在某雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

楊聽廣

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所, 安徽 合肥 230088)

引 言

模塊化設(shè)計(jì)就是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個子系統(tǒng)作為通用的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。作為一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，它在一定范圍內(nèi)對不同功能或相同功能、不同性能或不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上劃分或組合設(shè)計(jì)出一系列功能模塊。該模塊通常被理解為一個組合子系統(tǒng)，或具有某種特定功能的分機(jī)，或具有典型特征的獨(dú)立單元。模塊具有獨(dú)立性、互換性、通用性，可直接使用，可經(jīng)過簡單的局部修改形成系列模塊，也可通過模塊的組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品[1-3]。

模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)興起于20世紀(jì)60年代，幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)和思想獲得了極大的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于電子工程、機(jī)械工程、橋梁工程等各行各業(yè)，創(chuàng)造了不勝枚舉的優(yōu)秀產(chǎn)品，如電子工程中IBM個人電腦模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[4-5]。雷達(dá)結(jié)構(gòu)工程中的機(jī)箱、機(jī)柜等都是采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)的典范[6]，但有關(guān)相控陣?yán)走_(dá)的核心部件天線陣面的模塊化應(yīng)用目前報(bào)道甚少。

國軍標(biāo)《機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范》中對模塊化的定義和設(shè)計(jì)方法作了詳細(xì)說明。本文以某相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，針對相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，介紹了將雷達(dá)天線陣面按結(jié)構(gòu)層分解為大模塊(側(cè)板天線)和小模塊(一體化天線模塊)的模塊化設(shè)計(jì)思路[7]，簡化了天線陣面的總體設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的可靠性。模塊具有一定功能和電性能的設(shè)計(jì)使天線陣面布局更合理，風(fēng)格統(tǒng)一，形成了標(biāo)準(zhǔn)化與多樣化有機(jī)結(jié)合的模塊化產(chǎn)品。

1 天線陣面總體模塊化設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)天線陣面是雷達(dá)的核心部分,其作用是實(shí)現(xiàn)相控陣天線的電性能。隨著雷達(dá)天線增益和分辨率要求的提高，雷達(dá)天線輻射面口徑、設(shè)備量及功耗越來越大。如某有源相控陣?yán)走_(dá)天線的輻射面尺寸為11 600 mm × 1 720 mm，天線陣面內(nèi)部安裝有輻射天線、收發(fā)組件、延時組件、功分器、波控組件、電源組件、熱管組件等設(shè)備單機(jī)(表1)，是整個雷達(dá)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。

表1 某雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)組成

雷達(dá)天線模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)總體技術(shù)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，從提高天線陣面剛度、強(qiáng)度，減輕天線陣面重量的角度展開的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往都是根據(jù)總體技術(shù)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范先做大模塊構(gòu)思和規(guī)劃。文中的天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案考慮到衛(wèi)星發(fā)射升空時裝載平臺的包絡(luò)尺寸限制及天線展開時展開機(jī)構(gòu)對雷達(dá)天線尺寸的限制，將全陣面分成4塊側(cè)板天線，每塊側(cè)板天線的外形尺寸為2 900 mm(方位) × 1 720 mm(距離)，即形成-X內(nèi)側(cè)天線、-X外側(cè)天線、+X內(nèi)側(cè)天線、+X外側(cè)天線共4個相同的側(cè)板天線模塊。衛(wèi)星發(fā)射時，4塊側(cè)板天線通過壓緊釋放機(jī)構(gòu)固定在載荷艙±X兩側(cè)，衛(wèi)星升空在軌飛行時，4塊側(cè)板天線通過展開機(jī)構(gòu)展開在載荷艙的+Z端面，形成一個完整的相控陣?yán)走_(dá)天線。圖1和圖2是通過“展開機(jī)構(gòu)”把4個側(cè)板天線(-X外側(cè)板天線、-X內(nèi)側(cè)板天線、+X內(nèi)側(cè)板天線、+X外側(cè)板天線)組合在一起的某有源相控陣?yán)走_(dá)天線方案簡圖。

圖1 雷達(dá)天線收攏示意圖

圖2 雷達(dá)天線展開示意圖

相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案除考慮到衛(wèi)星發(fā)射裝載要求、展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和可靠性外，還要考慮模塊化設(shè)計(jì)的4個側(cè)板天線模塊。每個側(cè)板天線模塊(每塊)都具有相同的功能和電性能，考慮到天線陣面加工、運(yùn)輸、架設(shè)、維修性等綜合需求，模塊形成的安裝接口、內(nèi)部單機(jī)所裝數(shù)量完全相同。同時形成了側(cè)板高頻電纜模塊、側(cè)板低頻電纜模塊、展開機(jī)構(gòu)模塊等更專業(yè)的模塊，從而提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品研制周期。

2 大模塊側(cè)板天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)天線陣面大模塊(側(cè)板天線)的構(gòu)思和規(guī)劃是根據(jù)雷達(dá)總體技術(shù)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范劃分的。結(jié)合相控陣?yán)走_(dá)天線功能相同、結(jié)構(gòu)相似的單機(jī)數(shù)量大，線纜連接比較多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對天線陣面單機(jī)進(jìn)行合并，劃分為4塊側(cè)板天線，其結(jié)構(gòu)組成見表2。很顯然，雷達(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了簡化。

表2 側(cè)板天線結(jié)構(gòu)組成

為了使側(cè)板天線更加緊湊，側(cè)板天線內(nèi)單機(jī)采用三明治夾層方式布局，即將一體化天線模塊裝配到天線框架正面，反面裝電源組件、波控組件、功分器及高頻電纜、低頻電纜等，中間是天線框架，天線陣面Z向本體厚度小于100 mm。側(cè)板天線吊裝接口和工裝接口保持一致，天線框架選用高模量的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)，提高了側(cè)板天線陣面的剛度和強(qiáng)度，有效減輕了天線框架的重量。優(yōu)化各單機(jī)的接口，確保各單機(jī)的裝配可靠。設(shè)計(jì)擴(kuò)展設(shè)備接口，用于天線陣面組合，如某有源相控陣?yán)走_(dá)天線就利用“展開機(jī)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)天線陣面的折疊和展開。

利用有限元分析工具Pro/E、Ansys等設(shè)計(jì)軟件，在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上建立三維模型，對其進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)分析和熱力學(xué)分析，求出各種工況下的變形、應(yīng)力分布、熱分布特性等，找出主要部件的危險位置。根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),再循環(huán)計(jì)算分析,最終使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足預(yù)先分配的重量指標(biāo)和剛度指標(biāo)，并驗(yàn)證模塊化設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。圖3是優(yōu)化設(shè)計(jì)的側(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 側(cè)板天線結(jié)構(gòu)示意圖

模塊化設(shè)計(jì)的4塊側(cè)板天線結(jié)構(gòu)布局完全相同，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，有效減小了雷達(dá)天線的質(zhì)量，每塊質(zhì)量小于210 kg，是一個獨(dú)立的相控陣?yán)走_(dá)天線。模塊裝配容易，維修方便，具有通用性、系列化的特點(diǎn)，可以單獨(dú)使用，也可根據(jù)不同用途對天線框架稍做改進(jìn)，2塊、3塊甚至4塊、5塊組合使用，形成系列化產(chǎn)品。文中的雷達(dá)天線是由4塊側(cè)板天線利用展開機(jī)構(gòu)組合而成的相控陣?yán)走_(dá)天線。

3 子模塊一體化天線模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分為4個大模塊時，盡管天線陣面總體設(shè)計(jì)簡化了，模塊具有互換性和通用性，能夠獨(dú)立使用，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化，以解決單機(jī)數(shù)量大、線纜連接比較多的問題。根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)天線單機(jī)的功能和電纜連接拓?fù)鋱D，對表1中某相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)組成的前6項(xiàng)進(jìn)行重新組合，形成如表3所示的一體化天線模塊結(jié)構(gòu)組成，共120個一體化天線模塊。

表3 一體化天線模塊結(jié)構(gòu)組成

3.1 模塊布局設(shè)計(jì)

對一體化天線模塊內(nèi)的單機(jī)收發(fā)組件進(jìn)行雙通道集成設(shè)計(jì)，并采用盲配技術(shù)與輻射天線連接，減少電纜連接，以減少Z向厚度；對激勵功分器與定標(biāo)功分器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以減少單機(jī)品種；對輻射天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少重量并提高剛度。

3.2 模塊外形尺寸選取

外形尺寸要結(jié)合電性能設(shè)計(jì)選取，同時要兼顧原材料特性和機(jī)械加工設(shè)備能力，還要綜合考慮生產(chǎn)過程的中轉(zhuǎn)、包裝、后續(xù)表面處理等，一般在500 mm左右比較合適。本模塊外形尺寸為484 mm × 320 mm × 42 mm。

3.3 模塊接口優(yōu)化

首先，結(jié)合天線陣面系統(tǒng)設(shè)計(jì)分塊(上述-X內(nèi)側(cè)板天線、-X外側(cè)板天線、+X內(nèi)側(cè)板天線、+X外側(cè)板天線)，明確一體化天線模塊和模塊內(nèi)單機(jī)的接口；其次，根據(jù)模塊內(nèi)單機(jī)布局及連接器的類型規(guī)劃電纜的走線路徑；然后從系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)一體化天線模塊裝配時形成的拼縫和接地接口；最后，重點(diǎn)關(guān)注收發(fā)組件的工作特性和全陣面的熱設(shè)計(jì)要求，確定熱管的安裝接口。

3.4 模塊的力學(xué)仿真和熱仿真分析

確定了一體化天線模塊的接口尺寸之后，根據(jù)雷達(dá)天線系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)要求，對一體化天線模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析和熱仿真分析，通過反復(fù)迭代、優(yōu)化和三維模擬裝配設(shè)計(jì)，形成完整的一體化天線模塊，如圖4所示。最后結(jié)合側(cè)板天線內(nèi)部其他單機(jī)的布局及雷達(dá)天線陣面的高頻、低頻電纜布線設(shè)計(jì)，再次對側(cè)板天線、整星結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析、熱仿真分析及迭代優(yōu)化，完成一體化天線模塊設(shè)計(jì)。

圖4 一體化天線模塊示意圖

一體化天線模塊包含了大量的有源功能部件，具備良好的散熱能力，盲插連接減少了互聯(lián)電纜，提高了可靠性和可維修性，是一個機(jī)、電、熱一體化的通用模塊。

4 結(jié)束語

有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合了電訊、結(jié)構(gòu)、材料以及熱學(xué)等多領(lǐng)域知識經(jīng)驗(yàn)。隨著收發(fā)組件、數(shù)字陣面技術(shù)的不斷發(fā)展，天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將發(fā)生較大變化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要集中在天線陣面結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)、天線陣面的熱設(shè)計(jì)、天線陣面內(nèi)部單機(jī)之間多層互聯(lián)等方面。很顯然，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是有效解決功能相同的單機(jī)數(shù)量大、線纜連接較多問題的實(shí)用方法。

文中模塊化設(shè)計(jì)在某相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用，簡單地說就是對雷達(dá)天線陣面內(nèi)部功能單機(jī)的重新組合，形成120個一體化天線模塊，再通過“天線框架”集成設(shè)計(jì)成4個相同的“側(cè)板天線”模塊，然后通過“展開及壓緊釋放機(jī)構(gòu)”使“側(cè)板天線”模塊實(shí)現(xiàn)裝星收攏和發(fā)射展開，所形成的一體化天線模塊具有良好的可制造性、可裝配性和可維修性。模塊具有特定的功能，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求，符合通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展要求，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了研制、生產(chǎn)成本，并使設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得以傳遞和繼承，具有一定的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。