某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

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

0 引言

數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)是一種接收和發(fā)射都采用數(shù)字波速形成技術(shù)的全新相控陣?yán)走_(dá)，與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，具有大動(dòng)態(tài)范圍，容易形成多波束，可制造性強(qiáng)、低副瓣等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)的重要發(fā)展方向[1-2]。數(shù)字陣列模塊(DAM)具有對(duì)每個(gè)收發(fā)通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理功能，是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心部件之一。它集成了射頻收發(fā)、校正網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)濾波、電源、數(shù)字收發(fā)等功能電路，是一種高度集成的功能性模塊。它的裝機(jī)數(shù)量較多，在數(shù)字陣列雷達(dá)裝機(jī)設(shè)備中占據(jù)相當(dāng)大的比重，其可靠性對(duì)雷達(dá)性能的影響非常大[3-4]。

數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其性能和質(zhì)量的重要保證。數(shù)字陣列模塊作為一種電子機(jī)械模塊，它的體積小、功率大、元器件多、熱流密度大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮眾多的因素，包括輕量化、環(huán)境適應(yīng)性、可維修性、可制造性、散熱等多個(gè)方面[5-6]，它們都將直接或間接地影響數(shù)字陣列模塊的性能指標(biāo)以及工作的穩(wěn)定性和可靠性，最終影響數(shù)字陣列雷達(dá)的作戰(zhàn)指標(biāo)。

目前介紹數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)較少。程伶俐從輕小型化、密封防護(hù)、電磁兼容、散熱等角度介紹了某型米波雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]。孫遠(yuǎn)濤等針對(duì)地面和高空環(huán)境下的散熱問題，對(duì)某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱分析[8]。然而目前尚欠缺綜合性介紹數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)資料。在此，通過綜合考慮輕量化設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、可維修性設(shè)計(jì)、可制造性設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，介紹了某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。

1 數(shù)字陣列模塊的組成架構(gòu)和指標(biāo)

該數(shù)字陣列模塊為8通道接收設(shè)計(jì)模式，其內(nèi)部集成了校正網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)濾波器、接收通道、一本振功分器、二本振功分器、數(shù)字收發(fā)預(yù)處理以及各種傳輸印制板。外部接口包括8通道射頻連接器與天線連接，波控/光纖連接器用于傳輸波形控制參數(shù)，微波電源插座用于為數(shù)字陣列模塊供電，校正接口對(duì)校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入，編程入口實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣列模塊的調(diào)試。數(shù)字陣列模塊的組成框架和接線關(guān)系，如圖1所示。

圖1 數(shù)字陣列模塊組成框架和接線關(guān)系

該數(shù)字陣列模塊技術(shù)指標(biāo)中與結(jié)構(gòu)相關(guān)的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使數(shù)字陣列模塊正常工作，并達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，將從輕量化、環(huán)境適應(yīng)性、可維修性、可制造性等多個(gè)方面對(duì)數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2.1 輕量化設(shè)計(jì)

該型雷達(dá)共需裝載18個(gè)數(shù)字陣列模塊，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)以減輕模塊質(zhì)量。

2.1.1 多級(jí)盲配設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊內(nèi)部集成功能電路較多，如果全部采用傳統(tǒng)的射頻電纜實(shí)現(xiàn)上下級(jí)之間的互連，必將使其體積增加，質(zhì)量較高，無法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中體積和質(zhì)量的要求。盲配互聯(lián)技術(shù)已經(jīng)在高密度集成模塊中廣泛應(yīng)用[9]。在數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)布局中，采用如圖2所示的雙插盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而有效減小了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量及插損。

圖2 SMP雙插盲配互聯(lián)

根據(jù)數(shù)字陣列模塊的接線關(guān)系，共設(shè)計(jì)了5次盲配互聯(lián)，包括射頻連接器與校正網(wǎng)絡(luò)之間、校正網(wǎng)絡(luò)與開關(guān)濾波器之間、開關(guān)濾波器與接收通道之間、接收通道與一本振功分器之間、接收通道與二本振功分器之間，如圖3所示。每組盲配互聯(lián)組件一端為光孔，另一端將SMP拔出時(shí)具有分離力，以保證SMP在撥出時(shí)留在某一功能模塊端。本模塊插入端具有分離力，被插入端采用光孔。

圖3 5次盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.1.2 一體化設(shè)計(jì)

采用結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)原則，可以減少零部件數(shù)量，有效降低數(shù)字陣列模塊的總質(zhì)量。數(shù)字陣列模塊采用雙層布局形式，雙面中間的固定板即為功能模塊的緊固板也是模塊的冷板，內(nèi)部開設(shè)液冷管道，不但節(jié)約了數(shù)字陣列雷達(dá)的內(nèi)部空間，還降低了主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

另外，將接收通道、一本振功分器、二本振功分器進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)。8個(gè)分離的接收通道整件從背面固定在冷板上，但是接收通道設(shè)計(jì)較緊密，背面螺釘難以有效固定住接收通道，通常需要上面增加壓板，防止接收通道竄動(dòng)。采用結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)的原則，一本振功分器和二本振功分器均固定在8個(gè)接收通道功能模塊上，將8個(gè)接收通道裝配成一個(gè)整件結(jié)構(gòu)，一本振功分器和二本振功分器既作為電訊功能模塊，又作為固定壓板的作用，提高了接收通道抗沖擊振動(dòng)的能力，也減少了零部件數(shù)量，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)

2.1.3 材料選擇和合理薄壁設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，材料的選擇也至關(guān)重要，通常選擇強(qiáng)度高且密度低的材料作為殼體和蓋板的主要材料。鋁合金的強(qiáng)度與密度比較大，非常適合作為數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)的主材。

另外，在滿足結(jié)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度的前提下，盡量減少壁厚。在壁厚上需要打螺紋孔的地方，采用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，盡可能地減輕盒體質(zhì)量。

2.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是雷達(dá)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。數(shù)字陣列模塊是否可以正常工作，環(huán)境適應(yīng)性起到關(guān)鍵作用。三防設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)是數(shù)字陣列模塊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

2.2.1 三防設(shè)計(jì)

軍用電子設(shè)備的防濕熱、防霉菌、防鹽霧腐蝕稱之為三防。防護(hù)不當(dāng)是數(shù)字陣列模塊發(fā)生故障的重要原因之一，其結(jié)構(gòu)件及內(nèi)部的連接器、元器件、電路板等均應(yīng)采取三防措施，某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊主要采用的三防措施如下：

a. 所有結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單、流暢和合理，且避免積水結(jié)構(gòu)，如縫隙、小孔等；選用耐腐蝕性能良好的5A06鋁合金作為結(jié)構(gòu)件的主體材料，同一結(jié)構(gòu)中選擇同一種金屬材料，防止電偶腐蝕；采用導(dǎo)電氧化措施，形成耐腐蝕層，并在調(diào)試完成后表面噴三防漆。

b. 盒體與蓋板安裝位置上設(shè)置密封圈，連接器選用密封防水型，插座尾部灌封聚氨酯密封膠保護(hù)，穿墻螺紋孔涂密封膠。

c. 所有連接器均使用不銹鋼鈍化外殼，插針、插孔采取鍍金處理。

d. 所有印制板和電路板等均使用封裝元器件，并涂三防涂料。

2.2.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊將眾多單元組件集中于一個(gè)較小的空間內(nèi)，且需完成收、發(fā)、幅相調(diào)整控制等眾多功能，大小信號(hào)之間、高低頻信號(hào)之間、信號(hào)與電源之間極易產(chǎn)生相互干擾。同時(shí)，來自自然環(huán)境和其他模塊的外部干擾也非常復(fù)雜。電磁兼容性已經(jīng)成為數(shù)字陣列模塊能否正常工作的重要指標(biāo)。針對(duì)數(shù)字陣列模塊電磁干擾的問題，通常采用整體導(dǎo)電連續(xù)，內(nèi)部各通道之間、各電路之間隔離等措施。本數(shù)字陣列模塊采用的電磁兼容性措施如下：

a.接收通道、開關(guān)濾波器、本振功分器等均單獨(dú)做成氣密組件，外部接口均為SMP盲配接口。組件內(nèi)部不能做成一個(gè)整件的功能模塊之間利用隔筋隔離，隔筋之間采用絕緣子穿墻互聯(lián)，最大限度減少各功能模塊之間相互干擾。

b.電源電纜、射頻電纜等連接電纜均采用屏蔽電纜，輸入和輸出分開，避免微波信號(hào)之間的耦合串?dāng)_。

c.電磁信號(hào)可以通過殼體上的小孔向外輻射，因此殼體上與蓋板配合面應(yīng)精度較高，做成內(nèi)嵌式蓋板，選用導(dǎo)電橡膠密封圈，并根據(jù)導(dǎo)電橡膠密封圈的特點(diǎn)，結(jié)合模塊電磁兼容的要求，計(jì)算出殼體與蓋板緊固所需不銹鋼螺釘?shù)臄?shù)量。

d.所有的連接器均選用導(dǎo)電材料制作，其與安裝殼體連接處不涂覆，保證其接地。

e.所有印制板設(shè)計(jì)按照電路功能進(jìn)行分區(qū)，盡量減少電路內(nèi)部模塊之間的干擾，大面積地設(shè)置通過螺釘與機(jī)殼連接。

2.3 維修性設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊集成功能多，裝機(jī)數(shù)量也較多，容易損壞，快速裝拆維修成為衡量數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。數(shù)字陣列模塊可設(shè)計(jì)做成外場(chǎng)可更換單元(LRU)，從而實(shí)現(xiàn)其快速裝拆。某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊，如圖5所示。采用的可維修性設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

a.數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)成插件式結(jié)構(gòu)，面板安裝松不脫螺釘固定且抗沖擊，兩側(cè)設(shè)計(jì)導(dǎo)軌粗定位，后端裝配定位銷最終定位。

b.數(shù)字陣列模塊的后端接口(水接頭、電連接器等)采用盲配方式。

c.對(duì)外面板上設(shè)計(jì)可拆卸手柄或助插拔鎖緊裝置，用于裝拆。

d.外部不同種類信號(hào)的連接器應(yīng)在其規(guī)格上區(qū)別開來，設(shè)計(jì)防插錯(cuò)識(shí)別標(biāo)記。

e.面板寬度寬于數(shù)字陣列模塊后端厚度，從而相鄰數(shù)字陣列模塊在發(fā)生呼吸效應(yīng)[10]時(shí)不會(huì)互相擠壓摩擦，難以拔出。

圖5 某型數(shù)字陣列模塊維修性設(shè)計(jì)示意

2.4 可制造性設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊需要制造的數(shù)量多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其加工難度和加工周期，盡可能地避開一些難加工結(jié)構(gòu)，降低加工成本和周期。在不需要較高公差要求的區(qū)域，適當(dāng)降低尺寸公差和形位公差要求。

同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮工廠設(shè)備空余情況。在此，數(shù)字陣列模塊采用液冷方式散熱，冷板內(nèi)部可設(shè)計(jì)成蛇形水道和微水道2種方式，如圖6所示。蛇形水道需要焊接長(zhǎng)度較長(zhǎng)，焊接周期較長(zhǎng)，但是數(shù)控加工難度小。微水道的散熱效果要好于蛇形水道[11]，且微水道整體焊接長(zhǎng)度相對(duì)較短，但是數(shù)控加工難度相對(duì)較大。考慮到加工廠焊接設(shè)備有限，而數(shù)控加工設(shè)備相對(duì)空閑，因此采用微水道為數(shù)字陣列模塊散熱方式，以數(shù)控加工時(shí)間換取焊接時(shí)間，縮短加工周期。

圖6 液冷水道

3 散熱設(shè)計(jì)與分析

3.1 模塊功耗與水道設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊的主要功率熱耗散模塊為數(shù)字收發(fā)電路板和集中式電源，其中數(shù)字收發(fā)電路板28 W，集中式電源5.5 W，共熱耗33.5 W。電訊要求其工作溫度在-40～50 ℃，且所有器件表面溫度不超過85 ℃。

數(shù)字陣列模塊裝機(jī)數(shù)量較多，要求體積盡量縮小，發(fā)熱密度相對(duì)較大。在要求體積較小的情況下，采用自然冷卻和風(fēng)冷難以將發(fā)熱器件表面溫度控制在85 ℃以下，因此，采用間接液冷方式[5]對(duì)數(shù)字陣列模塊進(jìn)行散熱。考慮到水道的可制造性以及散熱效果，選用微水道為主要元器件進(jìn)行散熱，微水道位置靠近元器件主要發(fā)熱區(qū)域，并采用導(dǎo)熱襯墊保證冷板與元器件的接觸，如圖7所示。

圖7 散熱設(shè)計(jì)

3.2 仿真分析

根據(jù)表1中數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在工作環(huán)境溫度為50 ℃，供液流量為0.2 L/min，液冷機(jī)組供液溫度為62 ℃的工況下，采用NX熱仿真軟件分析得到主要散熱模塊數(shù)字收發(fā)電路板的溫度分布云圖，如圖8所示。由圖8可知，發(fā)熱器件的最高溫度為82.45 ℃，滿足元器件工作要求。

圖8 數(shù)字收發(fā)電路板熱仿真分析溫度云圖

4 結(jié)束語

數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為電訊件提供了重要的硬件支撐。本文介紹了某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，該模塊具有重量輕、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，完全滿足某型雷達(dá)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并通過雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)使用驗(yàn)證，目前已經(jīng)批量投產(chǎn)，對(duì)后續(xù)其他高集成模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。