相控陣?yán)走_(dá)天線陣面基本模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱志遠(yuǎn)，關(guān)宏山

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

為了滿足現(xiàn)代雷達(dá)裝備探測能力不斷提升的需求，固定站相控陣?yán)走_(dá)陣面向大型化發(fā)展，內(nèi)部設(shè)備眾多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，安裝難度大[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是將大量電子設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場安裝調(diào)試，無形增加了天線系統(tǒng)現(xiàn)場安裝、性能調(diào)試的難度。陣面基本模塊的設(shè)計(jì)思想是將規(guī)模龐大的天線陣面劃分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、電訊功能完全相同的獨(dú)立模塊，使其具有廣泛的通用性和獨(dú)立分解、重新組合的功能[2-3]，系統(tǒng)上降低了大型雷達(dá)天線陣面設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試的復(fù)雜性。同時(shí)天線陣面的模塊化設(shè)計(jì)還具有以下特點(diǎn)：陣面組合靈活，可根據(jù)需要進(jìn)行二維擴(kuò)展；具備完整的接收發(fā)射功能，可作為獨(dú)立的雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和工作；轉(zhuǎn)移大型天線系統(tǒng)安裝精度要求，降低天線骨架現(xiàn)場架設(shè)的難度；具有一致性和可互換性，適合批量生產(chǎn)，節(jié)約研制成本。

1 組 成

某大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面包含上萬個(gè)天線單元，結(jié)合機(jī)械加工、性能調(diào)試、現(xiàn)場吊裝和后期維護(hù)等要求，將天線陣面分為180個(gè)結(jié)構(gòu)和功能相同的陣面基本模塊，如圖1所示。

圖1 陣面基本模塊外形圖

每個(gè)陣面基本模塊集成了天饋、收發(fā)、校正、監(jiān)控、供電和環(huán)控等系統(tǒng)，設(shè)備量多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，安裝要求高，因此合理的結(jié)構(gòu)劃分和設(shè)備布局對天線系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵性作用。本文根據(jù)陣面基本模塊的結(jié)構(gòu)、電訊特點(diǎn)，將其分為天線陣列模塊和高頻機(jī)柜兩大組成部分。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 天線陣列模塊設(shè)計(jì)

天線陣列模塊主要包含前骨架、天線、饋線等無源設(shè)備。前骨架是陣面基本模塊的主承力結(jié)構(gòu)件，前面安裝天線單元和天線罩，內(nèi)部安裝校正網(wǎng)絡(luò)和收發(fā)濾波器。在結(jié)構(gòu)布局上做到天線單元、校正網(wǎng)絡(luò)和收發(fā)濾波器的一一對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 天線陣列模塊示意圖

前骨架主要由承力框架、反射板和蓋板組成。結(jié)構(gòu)件全部采用鋁質(zhì)材料，在滿足結(jié)構(gòu)剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輕量化的要求?？蚣芎头瓷浒逯g采用鉚接工藝，避免了鋁材因焊接而造成的骨架變形。為了保證反射板鉚接后即達(dá)到天線安裝精度要求，鉚接工作在專用保形工裝上進(jìn)行。鉚接前反射板與框架之間采用定位銷定位，同時(shí)兩者之間的加工基準(zhǔn)一致，確保鉚接精度。

圖3 前骨架結(jié)構(gòu)圖

2.2 高頻機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陣面基本模塊的有源電子設(shè)備均安裝在高頻機(jī)柜中。依據(jù)設(shè)備的主要功能、外形尺寸和連接關(guān)系擺放設(shè)備，同時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：考慮設(shè)備互連關(guān)系，減少電纜長度，降低系統(tǒng)損耗；有利于設(shè)備的散熱，提高環(huán)控系統(tǒng)的效率；保證可維修性，根據(jù)設(shè)備維修的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行合理布局。

高頻機(jī)柜采用成熟的鈑金結(jié)構(gòu)形式，由于機(jī)柜傾斜安裝容易造成維修門與地板干涉，所以將機(jī)柜門分為上下兩部分：上部為對開門，下部為推拉門。機(jī)柜兩側(cè)蓋板采用快鎖結(jié)構(gòu)，方便安裝在左右兩側(cè)設(shè)備的快速拆裝。

由于鈑金結(jié)構(gòu)的機(jī)柜自身尺寸精度較差，無法滿足有源模塊的安裝要求，所以在機(jī)柜內(nèi)部增加高精度的盲配盒作為有源模塊的過渡安裝結(jié)構(gòu)件。高頻機(jī)柜設(shè)備安裝如圖4所示。

圖4 高頻機(jī)柜結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置圖

3 熱設(shè)計(jì)

陣面基本模塊作為一套完整的天線系統(tǒng)，高效、可靠的散熱方式對保證雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能是十分重要的。天線陣列模塊內(nèi)部主要以電纜和濾波器發(fā)熱為主，分布均勻且發(fā)熱量小，宜采用風(fēng)冷進(jìn)行散熱。如圖2所示，在前骨架兩側(cè)蓋板上安裝兩個(gè)風(fēng)機(jī)達(dá)到內(nèi)部空氣流動(dòng)即可滿足要求。熱仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)冷熱仿真云圖

高頻機(jī)柜內(nèi)有源模塊總熱量和熱流密度都比較高，風(fēng)冷無法滿足設(shè)備散熱要求，采用液冷是更加科學(xué)的選擇。如圖4所示，安裝在機(jī)柜側(cè)邊的兩根液冷分配器通過二級(jí)管網(wǎng)與有源模塊并聯(lián)，形成冷卻系統(tǒng)。箱內(nèi)某有源設(shè)備液冷仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 有源模塊液冷熱仿真云圖

4 電纜布線設(shè)計(jì)

陣面基本模塊內(nèi)部各設(shè)備相互連接的電纜種類多、數(shù)量大，按電纜的電壓、電流和頻率特征可分為電源電纜、控制電纜和射頻電纜[4]。為了防止電纜之間的相互電磁干擾，在布線時(shí)需要將電源電纜與控制、射頻電纜相互隔離。

在電纜布線設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到強(qiáng)弱電分離走線的原則。將有強(qiáng)電壓輸入輸出的電源匯流條安裝在機(jī)柜右側(cè)，其余控制、射頻等弱電設(shè)備安裝在機(jī)柜左側(cè)，達(dá)到相互不干擾。同時(shí)所有電纜縱向走線固定在機(jī)柜中間四根縱梁之中，橫向固定在盲配盒背板上，與背板的連接器相連，走線整齊美觀，并且不影響各設(shè)備維護(hù)。

5 密封性設(shè)計(jì)

雷達(dá)天線陣面的密封性是雷達(dá)可靠運(yùn)行的重要保障[5]。天線陣面若發(fā)生漏水現(xiàn)象，會(huì)造成模塊內(nèi)部電子設(shè)備腐蝕，從而影響電性能指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生安全事故。因此天線陣面的密封防水設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)之一。

本結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在反射面、天線單元與陣面基本模塊內(nèi)部的密封防護(hù)。前骨架反射板與框架鉚接前，所有鉚釘涂硅橡膠密封，待膠固化后，逐一做24 h浸水實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。

圖7 前骨架浸水實(shí)驗(yàn)

天線單元安裝在天線罩內(nèi)部，天線罩采用PPO材料注塑成型，分為底座和上罩兩部分。底座內(nèi)圈通過螺釘與反射板連接，外圈O型密封圈與反射板壓實(shí)密封。上罩底部安裝平面密封圈，通過卡槽與底座翻邊壓緊密封，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 天線罩剖面圖

6 結(jié)束語

本文從模塊劃分、設(shè)備布局、陣面環(huán)控、電纜布線、密封防水等方面闡述了某大型相控陣?yán)走_(dá)陣面基本模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到模塊化的發(fā)展要求[6]。陣面基本模塊具有完整的天線陣面系統(tǒng)功能，可獨(dú)立工作，亦可根據(jù)探測威力的大小進(jìn)行擴(kuò)展和分解，具有很高的靈活性，因此本文介紹的大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的模塊化設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景。