某相控陣天線可靠性控制

鄭蒨

摘要：某衛星是一顆具備高分辨率成像能力的C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）成像衛星，也是我國首顆設計壽命達到8年的低軌C頻段多極化高分辨率微波遙感衛星。該衛星SAR有源相控陣天線采用可折疊二維有源相控天線陣體制。本文介紹了該星載相控陣天線可靠性設計以及評估試驗情況，針對其開展分析，梳理其主要故障模式，提出相應的可靠性評估模型和方法；通過可靠性試驗驗證，采集了產品地面試驗數據，對該相控陣天線開展可靠性評估并給出了該星載相控陣天線在軌可靠性壽命結果。本文的方法對其他有源相控天線可靠性設計有極大的借鑒作用。

Abstract： The satellite is a polarimetric SAR working in C band with high SAR imaging ability， it is also the first C band remote sensing satellite designed up to 8 years life. The active phased antenna of the SAR deployed the two dimensions active phased arrays. The reliability design and evaluations of corresponding tests about satellite are introduced in this paper. Through main malfunction analysis， the reliability evaluation pattern and method are proposed. Through reliability validation， the ground experiment results are obtained. The orbiting reliability life is also obtained according to the reliability evaluation of the space borne phased array antenna. In addition， our proposed method provides a significant reference for reliability design of AESA.

關鍵詞：星載合成孔徑雷達；相控陣天線；可靠性；建模

Key words： satellite SAR；phased array antennas；reliability；establish model

中圖分類號：TN821+.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0131-03

0 引言

某衛星是我國首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛星。該衛星能夠全天候實現全球海洋和陸地信息的監視監測，并通過左右姿態機動提升快速響應能力、擴大對地觀測范圍。其獲取的C頻段多極化SAR圖像可以用于國民經濟多個領域。

該衛星是我國首顆設計壽命達到8年的低軌長壽命衛星，其SAR天線采用了開展開平面二維掃描固態有源相控陣天線體制。該SAR天線由天線子陣、TR組件、延時放大組件、波束控制器及波控單元、射頻收發及定標饋電網絡、二次電源、天線配電器、高低頻電纜網、有源安裝板、結構框架、展開機構和熱控等部分組成。天線陣面分為4塊可展開面板，其中ab面板組成天線陣面-X翼，cd面板組成天線陣面+X翼，其組成關系如圖1所示。

1 相控陣天線可靠性設計

由于該衛星設計壽命達到8年，對SAR天線可靠性設計提出了很高要求。該有源相控陣天線所選用的元器件滿足衛星任務質量等級要求，部件和設備的可靠性保證符合8年設計的標準和規范。該有源相控陣天線采用硬件冗余設計、功能冗余設計和軟件容錯設計，消除系統級單點故障，對不能消除的單點故障采取有效措施降低其失效概率。

該星載SAR天線所有部件和設備具有所規定的可靠性設計要求和指標，關鍵部件，如TR組件、延時放大組件、波控單元、驅動放大器、波束控制器、天線配電器和二次電源經過了可靠性試驗，證明了其可靠性設計和指標。

1.1 可靠性設計和建模

該星載C頻段多極化SAR有源相控陣天線在總體設計和各單元設計中采取冗余設計提高系統可靠性。經計算，陣面通道等效失效10%時，陣面性能下降不明顯。

TR組件、延時放大組件、波控單元等數量較多的部件都采取表決冗余設計。二次電源、波束控制器、驅動放大器內部采取冷備或熱備冗余。天線配電器加電開關電路利用繼電器雙并聯備份，使能開關電路的冗余設計包括使能繼電器的兩并兩串以及單個繼電器的兩組觸點并聯備份，天線配電器接收OBDH和監控定時器的控制指令均能實現對陣面二次電源的使能控制，在控制方式上具備冗余。

該衛星SAR天線全陣面工作時，在TR通道和天線單元中，允許失效1.95%；TR供電+TR波控允許失效2.1%；延遲放大組件中允許失效3.1%；波控單元允許失效2.1%，合計最壞情況允許9.2%個TR通道不能正常工作。經過對天線仿真計算，10%以內TR通道不能正常工作，天線性能能滿足要求；另外陣面二次電源、天線配電器、1：4功分器，1：6功分器，單翼電橋，波束控制器，驅動放大器，1套展開機構和1套熱控系統為可靠性性串聯模型。高低頻電纜的可靠性合并在各單元中計算，定標網絡為系統自檢用不計入系統可靠性。SAR天線其可靠性框圖見圖2。可靠性數學模型為

R天線（t）=R1·R2·R3·R4·R5·R6·R7·R8·R9·R10·R11·R12·R13

其中，表決冗余的R1、R2、R3、R4可靠性數學模型為：

式中：R天線（t）表示SAR天線的可靠度；

n為單元總數；k為要求正常工作的單元數。

1.2 SAR天線的可靠性預計結果

該SAR天線在軌道上運行8年時間，在軌工作時間累計不小于用戶需求時間的可靠性預計結果為0.9113，滿足可靠度指標要求。

2 該星載SAR天線可靠性試驗驗證

按SAR天線壽命試驗要求，SAR天線中波控單元、驅動放大器、TR組件、波束控制器、延時放大組件開展了8年壽命摸底試驗。該天線壽命摸底試驗采用鑒定產品，試件由1個極化的天線模塊（含8個4通道TR組件、4個延時放大組件、1個波控單元、1個陣面二次電源、1套饋電網絡、1套電纜組件）、1個驅動放大器、1個波束控制器、1個天線配電器組成一個系統試驗。

基準工作溫度為45℃，工作時間大于5500h，采用加速壽命試驗，加速壽命試驗溫度選取65℃，加速壽命時間為大于500h。

為了確保整個壽命試驗過程中試驗測試數據的準確性，需要溫箱內溫度穩定在65℃左右，做壽命試驗的試驗箱有10個溫度監測點，每個溫度點檢測位置安裝在冷板上的波束控制器、二次電源、波控單元、驅動放大器和天線配電器上。

3 可靠性試驗結果

在壽命試驗開始前，對所有天線射頻接收通道的基態的幅度和相位進行了測試，并對移相衰減態進行了測試記錄，第一階段壽命試驗結束，再次對所有TR接收通道的基態的幅度和相位進行了測試記錄，并對移相衰減態進行了測試記錄，并對每個態位的移相衰減精度進行了計算和比較。

圖5、圖6為低、中、高三個頻點的32個TR通道的幅相誤差數據隨壽命試驗時間變化圖。從圖中可以得到以下結論：幅度誤差在8年壽命時間變化范圍為[-0.15dB，0.15dB]，滿足指標要求。相位誤差在8年壽命時間變化范圍為[-8°，2°]，滿足指標要求。

圖7、圖8為試驗前后衰減和移相精度結果，天線射頻通道衰減精度在±1dB以內，移相精度在±5°左右。

圖9、圖10可以看出，在試驗過程中，控溫措施有效，各單機溫度基本控制在65±1.5℃范圍內。

4 試驗進程

某星載SAR有源相控陣天線壽命試驗分為兩個階段：第一階段為壽命加速試驗；第二階段為額外壽命加速試驗。第一階段壽命加速試驗驗證了某星載SAR有源相控陣天線可以在軌道上無故障運行8年以上時間，第二階段壽命加速試驗用于驗證SAR天線可以在軌道上無故障運行10年以上時間。第一階段和第二階段的壽命試驗測試結果：所有單機工作正常，射頻性能沒有明顯下降。該星載SAR有源相控陣天線預計壽命可以達到15年以上。

5 總結

本文將可靠性設計理論用于某星載SAR有源相控陣天線工程實際，圍繞天線口徑幅度和相位誤差精度可靠性進行了詳細的分析和設計，經過多項實驗證明，該星載SAR有源相控陣天線可靠性指標完全滿足衛星應用的要求，所用的設計方法和可靠性試驗方法對其他相控陣天線系統可靠性控制有積極的指導意義。

參考文獻：

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