一種X頻段天線(xiàn)有源子陣的維修性設(shè)計(jì)與分析*

余 覺(jué)，姚 曄，顧葉青

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

維修性反映了產(chǎn)品在一定條件下由故障狀態(tài)恢復(fù)為額定狀態(tài)的能力，是產(chǎn)品重要的質(zhì)量特性[1]。有源相控陣天線(xiàn)作為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)集成度高、電訊功能復(fù)雜的特點(diǎn)，出現(xiàn)故障后如果不能快速定位并修復(fù)，可能會(huì)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)造成嚴(yán)重后果。因此，維修性是影響有源相控陣天線(xiàn)綜合服役性能的重要指標(biāo)之一。

有源子陣是高頻段有源相控陣天線(xiàn)的核心結(jié)構(gòu)和電訊功能組成部分[2–3]。通常情況下，有源子陣是將若干個(gè)電子陣的陣列單元與T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、波控網(wǎng)絡(luò)、二次電源和驅(qū)動(dòng)延時(shí)器等設(shè)備模塊化集成所形成的陣列模塊，具有完整的結(jié)構(gòu)、冷卻和電訊調(diào)試功能[2–4]，其集成度體現(xiàn)了有源相控陣天線(xiàn)陣面的組合性、互換性和可靠性。

由于天線(xiàn)陣面骨架、陣列單元、等相層、綜合網(wǎng)絡(luò)、匯流條等陣面組成部分均為無(wú)源器件，其可靠性由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)保證，在服役過(guò)程中出現(xiàn)故障的概率較低。相比之下，有源子陣完成相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)收發(fā)、傳輸放大、接口控制和陣面監(jiān)測(cè)等功能，在長(zhǎng)期工作中因器件老化、結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊等原因，部分模塊功能異常的可能性很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某型相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)平均每小時(shí)就有一個(gè)集成于有源子陣內(nèi)部的T/R組件發(fā)生故障[5]。因此，提高有源子陣的維修性，對(duì)提升天線(xiàn)陣面的服役可靠性、保障相控陣?yán)走_(dá)的作戰(zhàn)能力至關(guān)重要。

X頻段天線(xiàn)波長(zhǎng)較短（2.42～3.66 cm），單元間距小，一般采用子陣級(jí)數(shù)字化[6–7]，即由若干個(gè)天線(xiàn)單元構(gòu)成一個(gè)“電子陣”并對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字通道，再將多個(gè)數(shù)字通道合成為一個(gè)結(jié)構(gòu)有源子陣。因此，X頻段天線(xiàn)有源子陣結(jié)構(gòu)集成度更高，有源設(shè)備排布更密集，出現(xiàn)故障的概率也顯著增大。為此，本文從提高維修性的角度出發(fā)，提出了一款高集成模塊化X頻段有源子陣，并對(duì)其維修性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1 某X頻段有源子陣結(jié)構(gòu)概述

有源子陣是相控陣天線(xiàn)陣面的基本擴(kuò)展單位。某X頻段火控雷達(dá)有源子陣采用刀片式架構(gòu)，如圖1所示。子陣骨架采用功能一體化設(shè)計(jì)，不僅用作子陣內(nèi)部電氣設(shè)備的承載封裝結(jié)構(gòu)件，而且還在骨架中間集成加工了冷卻流道，用作高功率元器件的散熱冷板。子陣厚度方向采用等距陣列，對(duì)應(yīng)兩個(gè)陣元間距；長(zhǎng)度方向采用擴(kuò)展陣列，依次平鋪5個(gè)數(shù)字通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)2×8的電子陣。整個(gè)有源子陣對(duì)應(yīng)的陣元數(shù)共計(jì)80點(diǎn)，子陣結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為10.8 kg。

作為相控陣天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)完整電訊功能的最小模塊，該X頻段有源子陣從輻射面向后，主要分為T(mén)/R組件層和子陣綜合模塊層兩個(gè)層次（圖1）。其中，T/R組件層主要由T/R組件以及為其供電的二次電源組成。T/R組件實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的收發(fā)放大和波束掃描控制，是有源子陣最核心的組成部件[1]。本例中，T/R組件的通道數(shù)為4，整個(gè)有源子陣包含20個(gè)T/R組件，正反對(duì)稱(chēng)地固定安裝在子陣骨架的冷板兩側(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，拆裝維修簡(jiǎn)單方便。

子陣綜合模塊層主要由子陣綜合層（包括射頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、波控信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、電源網(wǎng)絡(luò)）、驅(qū)動(dòng)延時(shí)器、1分5功分器和數(shù)字接收通道組成。驅(qū)動(dòng)延時(shí)器的作用是對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大和波束補(bǔ)償，并通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)分配到T/R組件。數(shù)字接收通道主要將微弱的射頻回波信號(hào)變換為大幅度數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送至雷達(dá)處理系統(tǒng)[1]。以上部件均采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)盲插走線(xiàn)連接。驅(qū)動(dòng)延時(shí)器與1分5功分器采用正反背貼疊層布置，充分利用了有源子陣的厚度方向尺寸。

在天線(xiàn)陣面裝配過(guò)程中，有源子陣從陣面后端的高頻箱插入陣面，通過(guò)盲插的方式與輻射前端的天線(xiàn)單元以及等相層進(jìn)行結(jié)構(gòu)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的收發(fā)與處理。通過(guò)模塊化集成設(shè)計(jì)，不僅簡(jiǎn)化了有源子陣結(jié)構(gòu)，減輕了重量，降低了研制風(fēng)險(xiǎn)，還實(shí)現(xiàn)了分級(jí)調(diào)試，提高了子陣維修保障的效率。

2 子陣維修性設(shè)計(jì)

2.1 維修方案及要求

X頻段天線(xiàn)陣面維修的主要對(duì)象為有源子陣。為了提高雷達(dá)產(chǎn)品的維修效率，該X頻段陣面在基層級(jí)具備完善的陣面監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)⒐收现苯佣ㄎ坏接性醋雨噧?nèi)部出現(xiàn)異常的T/R組件、延遲驅(qū)放模塊、數(shù)字模塊等基本組成單位，從而為有源子陣的快速維修與保障明確了方向。

X頻段有源子陣采用后向維修方式，維修過(guò)程中不需要拆裝天線(xiàn)罩。維修子陣時(shí)，只要打開(kāi)對(duì)應(yīng)的艙門(mén)，脫開(kāi)連接有源子陣與控制網(wǎng)絡(luò)的波控電纜，松開(kāi)子陣的上下固定螺栓，即可將子陣從陣面后方拔出開(kāi)展維修操作，如圖2所示。

圖2 有源子陣后向拆卸過(guò)程

采用平均修復(fù)時(shí)間（Mean Time To Repair, MTTR）對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的維修性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。MTTR描述了產(chǎn)品由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)所需修理時(shí)間的平均值[8]。該X頻段天線(xiàn)陣面分系統(tǒng)的維修性指標(biāo)要求MTTR不超過(guò)23 min。

2.2 維修可達(dá)性設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

為保證有源子陣順利插拔，在子陣骨架的上下側(cè)邊分別設(shè)置滾輪滑塊。滑塊與陣面橫梁上固定安裝的直線(xiàn)導(dǎo)軌配合，為子陣插拔的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)提供約束引導(dǎo)。此外，在子陣骨架后端上下位置設(shè)置了兩個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)向銷(xiāo)，進(jìn)一步提高了有源子陣與陣面盲插對(duì)接的精度，確保了子陣重復(fù)拆裝的可靠性和效率，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

2.2.2 盲插互聯(lián)設(shè)計(jì)

該X頻段天線(xiàn)陣面在縱深方向分為T(mén)/R組件和子陣綜合模塊兩個(gè)層次，分別設(shè)置相應(yīng)的對(duì)外連接器安裝端面。在子陣第一層接口端面（最前端）上安裝了80個(gè)盲配型BMA（Blind-Mate A）連接器端口，在導(dǎo)軌滑塊及導(dǎo)向銷(xiāo)的引導(dǎo)下，可以實(shí)現(xiàn)T/R組件與安裝在天線(xiàn)陣面前端的單元組合及等相層的整體盲插互聯(lián)。

在子陣第二層接口端面上依次設(shè)置了4個(gè)BMA端口、1個(gè)電源端口以及上下兩個(gè)水接頭，以實(shí)現(xiàn)有源子陣與射頻綜合層、電源匯流條以及陣面冷卻管網(wǎng)的整體互聯(lián)互通。有源子陣盲插接口分布如圖4所示。

圖4 有源子陣盲插接口分布

該設(shè)計(jì)層與層之間相互獨(dú)立，通過(guò)連接器整體盲插對(duì)接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，不僅消除了互相纏繞的導(dǎo)線(xiàn)，使天線(xiàn)陣面的結(jié)構(gòu)造型更加簡(jiǎn)潔清晰，還極大地提高了子陣插拔維修過(guò)程中維修操作的效率，避免了眾多電連接器誤接錯(cuò)插的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 模塊化維修設(shè)計(jì)

有源子陣在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中全面貫徹了模塊化、通用性的設(shè)計(jì)思路。子陣內(nèi)部集成的主要設(shè)備包括T/R組件、數(shù)字模塊、延時(shí)驅(qū)動(dòng)等，均設(shè)計(jì)為獨(dú)立封裝可拆卸模塊，并作為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（Line Replaceable Unit, LRU）[9–10]直接參與維修替換。

陣面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成故障定位后，可直接用備件替換LRU完成維修作業(yè)，顯著提高了現(xiàn)場(chǎng)基層維修的效率[10]。此外，有源子陣內(nèi)部同類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)組成相同，幅相特性完全一致，且可以對(duì)其進(jìn)行識(shí)別碼管理和修改，從而保證了同類(lèi)設(shè)備之間具備完全的互換性。當(dāng)有源子陣更換了備份模塊后，通過(guò)終端控制重新裝載更換模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般無(wú)需調(diào)試即可使有源子陣恢復(fù)正常工作。

從有源子陣上更換下來(lái)的故障模塊實(shí)行基地級(jí)維修。在基地級(jí)，通過(guò)專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備檢測(cè)后，在保障器件供應(yīng)的前提下，維修時(shí)間小于24 h。T/R組件和延時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊采用了氣密封裝方式，開(kāi)蓋時(shí)間較長(zhǎng)，維修時(shí)間小于48 h。

3 維修性分析

縮短相控陣?yán)走_(dá)的MTTR對(duì)改善用戶(hù)體驗(yàn)、提升相控陣?yán)走_(dá)的戰(zhàn)備服役效能具有重要意義。天線(xiàn)陣面的MTTR數(shù)學(xué)模型定義如下：

以有源子陣內(nèi)部集成的T/R組件、數(shù)字模塊、延時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊等作為天線(xiàn)陣面維修基本的LRU，故障定位后通過(guò)備件替換的方式完成子陣的維修工作?；诋a(chǎn)品安裝調(diào)試統(tǒng)計(jì)分析得到各模塊的問(wèn)題定位、拆卸、安裝、檢測(cè)的平均操作時(shí)間以及平均故障率數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 某X頻段有源子陣現(xiàn)場(chǎng)可更換單元MTTR分配值

根據(jù)公式（1）計(jì)算得到該X頻段有源子陣的平均修復(fù)時(shí)間約為20.6 min，滿(mǎn)足該X頻段天線(xiàn)陣面分系統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)指標(biāo)，即MTTR≤23 min。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某X頻段天線(xiàn)有源子陣開(kāi)展了結(jié)構(gòu)模塊化集成設(shè)計(jì)。通過(guò)在子陣結(jié)構(gòu)上安裝導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置，提高了有源子陣重復(fù)插拔的效率和精度。利用盲插互聯(lián)設(shè)計(jì)，避免了電連接器誤接錯(cuò)插操作，改善了子陣的維修性。最后，將有源子陣中的T/R組件、延時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊以及數(shù)字模塊等設(shè)計(jì)為具有互換性的維修LRU，通過(guò)基層級(jí)備件替換方式進(jìn)行維修，顯著縮短了該X頻段天線(xiàn)有源子陣的MTTR，對(duì)提升有源相控陣天線(xiàn)裝備整體的維修性和作戰(zhàn)服役性能具有重要意義。