模塊化在某雷達陣面結構設計中的應用*

周小龍，操衛忠

（南京電子技術研究所，江蘇南京210039）

引 言

復雜機電產品是由機、電、液、光等多物理過程、多單元技術集成于機械載體而形成整體功能的復雜裝備，由機械結構、控制裝置、電器設備和檢測裝置等組成[1-2]。它具有研發周期長、成本投入大、質量要求高、維修難度大等特點。傳統的設計方法難以滿足目前產品周期短、集成度高、更新快的要求，模塊化設計理論就應運而生。模塊化以模塊為基礎，集標準化、通用化、系列化和組合化于一體，用于解決復雜系統類型多樣化的問題。在產品設計領域，模塊化設計是指在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同的產品，以滿足不同需求的設計方法[3]。

雷達屬于典型的復雜機電產品。按功能對雷達陣面進行模塊劃分，實現產品功能的分配，能夠使雷達陣面設計及更改更簡單，可有效降低產品的復雜性。本文以某型號的地面固定式雷達為例，以模塊化設計理論為基礎，對雷達陣面進行結構設計。

1 天線陣面結構布局及模塊劃分

1.1 設計難點

通過分析總體任務書的要求以及該雷達的結構特點，總結出以下設計難點：

1）陣面口徑較大，傳統的整體式陣面設計較復雜，且后期的電訊調試、運輸和維修較困難；

2）天線陣面的平面精度及單元的方位精度要求高，對陣面骨架的剛強度以及相關零部件的加工裝配提出了較高的要求；

3）該雷達布置在海邊，高鹽高濕的自然環境對雷達的環境適應性要求高。

1.2 陣面模塊劃分

該雷達為固定式陣面，整體為開放式結構。根據陣面的設備組成及功能，天線陣面共劃分為5 大功能模塊：一級綜合網絡模塊、數字接收模塊、主天線模塊、供配電模塊及一級充氣網絡模塊。

在天線陣面結構設計中，主天線模塊是結構設計的重點。在綜合考慮生產加工、裝配、調試、運輸、維修等因數的基礎上，繼續對主天線模塊進行劃分，形成一百多個模塊化子陣面，如圖1 所示。

圖1 主天線模塊劃分示意圖

2 模塊化子陣面結構詳細設計

2.1 子陣面結構布局

模塊化子陣面以32 點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、發射電源、二級綜合網絡和二級充氣網絡。其中二級綜合網絡實現子陣內部射頻信號及供配電信號的傳輸分配，二級充氣網絡實現子陣內部設備干燥保護氣體的輸入。子陣面結構如圖2 所示。

圖2 模塊化子陣面結構示意圖

2.2 子陣框架結構設計

子陣框架是天線陣面的主要結構件，也是安裝T/R 組件、電源等其他一系列設備的基礎，這就要求它具有足夠的剛強度。該陣面子陣框架由子陣骨架、反射網和面板組成，如圖3 所示。

圖3 子陣框架結構示意圖

子陣骨架采用Q345 鋼型材拼焊后再經機加工成型，其結構剛強度高且生產成本低；反射網為菱形網狀結構，采用鏤空式設計，既降低了陣面在工作過程中的風阻，又便于子陣面內部設備的通風散熱；面板內嵌安裝在子陣骨架與反射網之間，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，結構緊湊，有效降低了陣面厚度。

2.3 子陣框架力學分析

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

表1 主要材料力學參數

根據設計要求，陣面工況主要有2 種：1）工況1，正常工作風速≤25 m/s；2）工況2，不破壞風速≤65 m/s。本文采用ANSYS Workbench 軟件對其進行力學仿真分析，陣面骨架、反射網和面板用殼單元進行簡化建模，內部設備（組件、電源等）采用質量點單元直接施加在相應位置。仿真結果如圖4 所示。

圖4 陣面骨架結構力學仿真結果

經力學仿真分析計算，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，滿足精度指標要求。在工況2 下的最大應力為164.3 MPa，子陣骨架材料的屈服強度為345 MPa，安全系數為2.1，滿足材料強度要求。

2.4 天線單元與T/R 組件互聯設計

陣面T/R 組件為單通道組件，與天線單元一一對應，分別固定在子陣框架面板的正反面，內部射頻連接器直接盲插互聯，避免了由電纜連接引起的電損耗，提升了雷達性能。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 陣面環控設計

3.1 陣面冷卻系統設計

該雷達天線陣面整體采用開放式設計，陣面未裝強迫散熱的風機，內部設備采用自然風冷的冷卻方式散熱。自然風冷無需風機，環境適應能力強，既無噪聲無污染又提高了系統的可靠性，還降低了雷達的運營成本，節約能源，綠色環保。

子陣骨架四周均勻布置了進風口，陣面頂部為菱形網狀的反射板，自然風從子陣框架四周流入，經設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，將陣面內設備產生的熱量散發出去，形成一次冷卻循環，如圖6 所示。

圖6 子陣面散熱示意圖

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

圖7 T/R 組件內部溫度場仿真云圖

在50?C 環試箱中對T/R 組件進行高溫工作測試試驗，測量組件內部發射芯片法蘭的溫度（殼溫）、波控芯片的溫度以及模塊內部環境溫度，結果如圖8所示。各個測溫點的溫度在1 h 左右達到穩態，發射芯片殼溫約為63?C，波控芯片溫度約為59?C，模塊內部環境溫度約為56?C。試驗測試數據與仿真分析數據基本吻合，誤差在10%以內，有一定的可信度，進一步驗證了自然風冷的散熱方式能滿足雷達的工作要求。

圖8 T/R 組件內部器件測試溫度曲線

3.2 陣面充氣系統設計

該雷達天線陣面系統采用開放式設計，陣面內部設備（如T/R 組件、發射電源、接收電源等）共約6 000 個模塊直接露天放置，在海邊高鹽霧、高濕環境下，因鹽霧滲入及呼吸效應，存在模塊內部積水的風險。設計充氣系統的目的就是對此風險進行控制，使各模塊內部始終保持正壓狀態，防止外環境空氣進入，對模塊內部器件產生影響。

充氣網絡根據子陣面模塊劃分為2 級：一級充氣網絡實現子陣面間保護氣體的傳輸分配；二級充氣網絡實現子陣面內部設備保護氣體的傳輸分配。圖9 為二級充氣網絡局部示意圖。

圖9 二級充氣網絡局部示意圖

充氣系統為雷達天線陣面電子設備提供更為良好的工作環境，提高了雷達的環境適應性及工作的可靠性。

4 結束語

采用模塊化技術是現代工業設計的發展方向。在大型機電產品模塊化設計方面，跟上國際新技術發展的步伐，開展模塊化技術的一些基礎性研究是十分必要的。雷達陣面結構模塊化設計是未來的發展趨勢，已經逐步應用在雷達的設計和研發過程之中，顯示出了極其廣闊的發展前景。本文采用模塊化設計方法對某地面固定式雷達天線陣面進行了模塊劃分、功能分析和模塊詳細設計，達到了縮短研發周期、提高產品質量的目的。后續還需從以下2 方面開展深入研究：1）針對復雜機電產品，對模塊劃分方法、模塊與模塊庫設計、模塊化產品配置設計和模塊化設計應用等模塊化設計關鍵技術做重點研究，形成一套完整的模塊化設計方法。2）目前僅對地面固定式雷達天線陣面結構進行了模塊化設計，還需推廣到不同種類的雷達系統中進行應用研究。