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

周小龍，操衛(wèi)忠

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品是由機(jī)、電、液、光等多物理過程、多單元技術(shù)集成于機(jī)械載體而形成整體功能的復(fù)雜裝備，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制裝置、電器設(shè)備和檢測裝置等組成[1-2]。它具有研發(fā)周期長、成本投入大、質(zhì)量要求高、維修難度大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以滿足目前產(chǎn)品周期短、集成度高、更新快的要求，模塊化設(shè)計(jì)理論就應(yīng)運(yùn)而生。模塊化以模塊為基礎(chǔ)，集標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和組合化于一體，用于解決復(fù)雜系統(tǒng)類型多樣化的問題。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模塊化設(shè)計(jì)是指在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足不同需求的設(shè)計(jì)方法[3]。

雷達(dá)屬于典型的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品。按功能對雷達(dá)陣面進(jìn)行模塊劃分，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的分配，能夠使雷達(dá)陣面設(shè)計(jì)及更改更簡單，可有效降低產(chǎn)品的復(fù)雜性。本文以某型號的地面固定式雷達(dá)為例，以模塊化設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，對雷達(dá)陣面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 天線陣面結(jié)構(gòu)布局及模塊劃分

1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

通過分析總體任務(wù)書的要求以及該雷達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)出以下設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

1）陣面口徑較大，傳統(tǒng)的整體式陣面設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且后期的電訊調(diào)試、運(yùn)輸和維修較困難；

2）天線陣面的平面精度及單元的方位精度要求高，對陣面骨架的剛強(qiáng)度以及相關(guān)零部件的加工裝配提出了較高的要求；

3）該雷達(dá)布置在海邊，高鹽高濕的自然環(huán)境對雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性要求高。

1.2 陣面模塊劃分

該雷達(dá)為固定式陣面，整體為開放式結(jié)構(gòu)。根據(jù)陣面的設(shè)備組成及功能，天線陣面共劃分為5 大功能模塊：一級綜合網(wǎng)絡(luò)模塊、數(shù)字接收模塊、主天線模塊、供配電模塊及一級充氣網(wǎng)絡(luò)模塊。

在天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主天線模塊是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在綜合考慮生產(chǎn)加工、裝配、調(diào)試、運(yùn)輸、維修等因數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對主天線模塊進(jìn)行劃分，形成一百多個(gè)模塊化子陣面，如圖1 所示。

圖1 主天線模塊劃分示意圖

2 模塊化子陣面結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 子陣面結(jié)構(gòu)布局

模塊化子陣面以32 點(diǎn)通道為一典型的單元模塊，包含子陣框架、輻射單元及單元罩、單通道T/R 組件、接收電源、發(fā)射電源、二級綜合網(wǎng)絡(luò)和二級充氣網(wǎng)絡(luò)。其中二級綜合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子陣內(nèi)部射頻信號及供配電信號的傳輸分配，二級充氣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子陣內(nèi)部設(shè)備干燥保護(hù)氣體的輸入。子陣面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 模塊化子陣面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 子陣框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

子陣框架是天線陣面的主要結(jié)構(gòu)件，也是安裝T/R 組件、電源等其他一系列設(shè)備的基礎(chǔ)，這就要求它具有足夠的剛強(qiáng)度。該陣面子陣框架由子陣骨架、反射網(wǎng)和面板組成，如圖3 所示。

圖3 子陣框架結(jié)構(gòu)示意圖

子陣骨架采用Q345 鋼型材拼焊后再經(jīng)機(jī)加工成型，其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度高且生產(chǎn)成本低；反射網(wǎng)為菱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用鏤空式設(shè)計(jì)，既降低了陣面在工作過程中的風(fēng)阻，又便于子陣面內(nèi)部設(shè)備的通風(fēng)散熱；面板內(nèi)嵌安裝在子陣骨架與反射網(wǎng)之間，面板上表面安裝天線單元，下表面安裝T/R 組件，連接器直接盲插互聯(lián)，結(jié)構(gòu)緊湊，有效降低了陣面厚度。

2.3 子陣框架力學(xué)分析

子陣框架作為整個(gè)天線陣面的主要承力部件，既要保證天線陣面在使用環(huán)境下結(jié)構(gòu)不被破壞，又要確保天線陣面能夠保持優(yōu)異的電訊性能[4]。通過有限元軟件對其剛強(qiáng)度進(jìn)行校核，子陣框架中子陣骨架為Q345 鋼型材，反射網(wǎng)及面板為5A05（H112）鋁合金，材料的基本力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 主要材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，陣面工況主要有2 種：1）工況1，正常工作風(fēng)速≤25 m/s；2）工況2，不破壞風(fēng)速≤65 m/s。本文采用ANSYS Workbench 軟件對其進(jìn)行力學(xué)仿真分析，陣面骨架、反射網(wǎng)和面板用殼單元進(jìn)行簡化建模，內(nèi)部設(shè)備（組件、電源等）采用質(zhì)量點(diǎn)單元直接施加在相應(yīng)位置。仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 陣面骨架結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真結(jié)果

經(jīng)力學(xué)仿真分析計(jì)算，子陣面骨架在工況1 下的最大變形為1.7 mm，均方根為0.49 mm，滿足精度指標(biāo)要求。在工況2 下的最大應(yīng)力為164.3 MPa，子陣骨架材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，安全系數(shù)為2.1，滿足材料強(qiáng)度要求。

2.4 天線單元與T/R 組件互聯(lián)設(shè)計(jì)

陣面T/R 組件為單通道組件，與天線單元一一對應(yīng)，分別固定在子陣框架面板的正反面，內(nèi)部射頻連接器直接盲插互聯(lián)，避免了由電纜連接引起的電損耗，提升了雷達(dá)性能。組件與單元的安裝如圖5所示。

圖5 T/R 組件與天線單元安裝示意圖

3 陣面環(huán)控設(shè)計(jì)

3.1 陣面冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該雷達(dá)天線陣面整體采用開放式設(shè)計(jì)，陣面未裝強(qiáng)迫散熱的風(fēng)機(jī)，內(nèi)部設(shè)備采用自然風(fēng)冷的冷卻方式散熱。自然風(fēng)冷無需風(fēng)機(jī)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，既無噪聲無污染又提高了系統(tǒng)的可靠性，還降低了雷達(dá)的運(yùn)營成本，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。

子陣骨架四周均勻布置了進(jìn)風(fēng)口，陣面頂部為菱形網(wǎng)狀的反射板，自然風(fēng)從子陣框架四周流入，經(jīng)設(shè)備殼體上的散熱翅片后從頂部流出，通過氣流的自然對流原理，將陣面內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，形成一次冷卻循環(huán)，如圖6 所示。

圖6 子陣面散熱示意圖

在最惡劣的條件下（環(huán)境溫度50?C、太陽直射、無風(fēng)）連續(xù)工作時(shí)，T/R 組件內(nèi)部的環(huán)境場仿真結(jié)果如圖7 所示。最高殼溫維持在69.4?C （≤128?C），內(nèi)部環(huán)境溫度最高可達(dá)62.9?C （≤70?C），在雷達(dá)允許的工作溫度范圍內(nèi)，可連續(xù)開機(jī)工作，滿足使用要求。

圖7 T/R 組件內(nèi)部溫度場仿真云圖

在50?C 環(huán)試箱中對T/R 組件進(jìn)行高溫工作測試試驗(yàn)，測量組件內(nèi)部發(fā)射芯片法蘭的溫度（殼溫）、波控芯片的溫度以及模塊內(nèi)部環(huán)境溫度，結(jié)果如圖8所示。各個(gè)測溫點(diǎn)的溫度在1 h 左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，發(fā)射芯片殼溫約為63?C，波控芯片溫度約為59?C，模塊內(nèi)部環(huán)境溫度約為56?C。試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在10%以內(nèi)，有一定的可信度，進(jìn)一步驗(yàn)證了自然風(fēng)冷的散熱方式能滿足雷達(dá)的工作要求。

圖8 T/R 組件內(nèi)部器件測試溫度曲線

3.2 陣面充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該雷達(dá)天線陣面系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，陣面內(nèi)部設(shè)備（如T/R 組件、發(fā)射電源、接收電源等）共約6 000 個(gè)模塊直接露天放置，在海邊高鹽霧、高濕環(huán)境下，因鹽霧滲入及呼吸效應(yīng)，存在模塊內(nèi)部積水的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)充氣系統(tǒng)的目的就是對此風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，使各模塊內(nèi)部始終保持正壓狀態(tài)，防止外環(huán)境空氣進(jìn)入，對模塊內(nèi)部器件產(chǎn)生影響。

充氣網(wǎng)絡(luò)根據(jù)子陣面模塊劃分為2 級：一級充氣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子陣面間保護(hù)氣體的傳輸分配；二級充氣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子陣面內(nèi)部設(shè)備保護(hù)氣體的傳輸分配。圖9 為二級充氣網(wǎng)絡(luò)局部示意圖。

圖9 二級充氣網(wǎng)絡(luò)局部示意圖

充氣系統(tǒng)為雷達(dá)天線陣面電子設(shè)備提供更為良好的工作環(huán)境，提高了雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性及工作的可靠性。

4 結(jié)束語

采用模塊化技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。在大型機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方面，跟上國際新技術(shù)發(fā)展的步伐，開展模塊化技術(shù)的一些基礎(chǔ)性研究是十分必要的。雷達(dá)陣面結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)是未來的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐步應(yīng)用在雷達(dá)的設(shè)計(jì)和研發(fā)過程之中，顯示出了極其廣闊的發(fā)展前景。本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法對某地面固定式雷達(dá)天線陣面進(jìn)行了模塊劃分、功能分析和模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)，達(dá)到了縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。后續(xù)還需從以下2 方面開展深入研究：1）針對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，對模塊劃分方法、模塊與模塊庫設(shè)計(jì)、模塊化產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用等模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)做重點(diǎn)研究，形成一套完整的模塊化設(shè)計(jì)方法。2）目前僅對地面固定式雷達(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，還需推廣到不同種類的雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用研究。