相控陣雷達天線陣面基本模塊結構設計

朱志遠，關宏山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

為了滿足現代雷達裝備探測能力不斷提升的需求，固定站相控陣雷達陣面向大型化發展，內部設備眾多，結構設計復雜，安裝難度大[1]。傳統的設計思路是將大量電子設備運至現場安裝調試，無形增加了天線系統現場安裝、性能調試的難度。陣面基本模塊的設計思想是將規模龐大的天線陣面劃分為機械結構、電訊功能完全相同的獨立模塊，使其具有廣泛的通用性和獨立分解、重新組合的功能[2-3]，系統上降低了大型雷達天線陣面設計、安裝和調試的復雜性。同時天線陣面的模塊化設計還具有以下特點：陣面組合靈活，可根據需要進行二維擴展；具備完整的接收發射功能，可作為獨立的雷達系統進行調試和工作；轉移大型天線系統安裝精度要求，降低天線骨架現場架設的難度；具有一致性和可互換性，適合批量生產，節約研制成本。

1 組 成

某大型相控陣雷達天線陣面包含上萬個天線單元，結合機械加工、性能調試、現場吊裝和后期維護等要求，將天線陣面分為180個結構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

每個陣面基本模塊集成了天饋、收發、校正、監控、供電和環控等系統，設備量多，邏輯關系復雜，安裝要求高，因此合理的結構劃分和設備布局對天線系統功能的實現起到關鍵性作用。本文根據陣面基本模塊的結構、電訊特點，將其分為天線陣列模塊和高頻機柜兩大組成部分。

2 結構設計

2.1 天線陣列模塊設計

天線陣列模塊主要包含前骨架、天線、饋線等無源設備。前骨架是陣面基本模塊的主承力結構件，前面安裝天線單元和天線罩，內部安裝校正網絡和收發濾波器。在結構布局上做到天線單元、校正網絡和收發濾波器的一一對應關系，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。結構件全部采用鋁質材料，在滿足結構剛度的前提下，實現了系統輕量化的要求。框架和反射板之間采用鉚接工藝，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到天線安裝精度要求，鉚接工作在專用保形工裝上進行。鉚接前反射板與框架之間采用定位銷定位，同時兩者之間的加工基準一致，確保鉚接精度。

圖3 前骨架結構圖

2.2 高頻機柜結構設計

陣面基本模塊的有源電子設備均安裝在高頻機柜中。依據設備的主要功能、外形尺寸和連接關系擺放設備，同時應注意以下幾點：考慮設備互連關系，減少電纜長度，降低系統損耗；有利于設備的散熱，提高環控系統的效率；保證可維修性，根據設備維修的優先級進行合理布局。

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

由于鈑金結構的機柜自身尺寸精度較差，無法滿足有源模塊的安裝要求，所以在機柜內部增加高精度的盲配盒作為有源模塊的過渡安裝結構件。高頻機柜設備安裝如圖4所示。

圖4 高頻機柜結構及設備布置圖

3 熱設計

陣面基本模塊作為一套完整的天線系統，高效、可靠的散熱方式對保證雷達系統的工作性能是十分重要的。天線陣列模塊內部主要以電纜和濾波器發熱為主，分布均勻且發熱量小，宜采用風冷進行散熱。如圖2所示，在前骨架兩側蓋板上安裝兩個風機達到內部空氣流動即可滿足要求。熱仿真結果如圖5所示。

圖5 風冷熱仿真云圖

高頻機柜內有源模塊總熱量和熱流密度都比較高，風冷無法滿足設備散熱要求，采用液冷是更加科學的選擇。如圖4所示，安裝在機柜側邊的兩根液冷分配器通過二級管網與有源模塊并聯，形成冷卻系統。箱內某有源設備液冷仿真結果如圖6所示。

圖6 有源模塊液冷熱仿真云圖

4 電纜布線設計

陣面基本模塊內部各設備相互連接的電纜種類多、數量大，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，在布線時需要將電源電纜與控制、射頻電纜相互隔離。

在電纜布線設計時，充分考慮到強弱電分離走線的原則。將有強電壓輸入輸出的電源匯流條安裝在機柜右側，其余控制、射頻等弱電設備安裝在機柜左側，達到相互不干擾。同時所有電纜縱向走線固定在機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，并且不影響各設備維護。

5 密封性設計

雷達天線陣面的密封性是雷達可靠運行的重要保障[5]。天線陣面若發生漏水現象，會造成模塊內部電子設備腐蝕，從而影響電性能指標，嚴重時會發生安全事故。因此天線陣面的密封防水設計是結構設計中的重點之一。

本結構主要體現在反射面、天線單元與陣面基本模塊內部的密封防護。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浸水實驗，如圖7所示。

圖7 前骨架浸水實驗

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

圖8 天線罩剖面圖

6 結束語

本文從模塊劃分、設備布局、陣面環控、電纜布線、密封防水等方面闡述了某大型相控陣雷達陣面基本模塊的結構設計。通過統一化設計，使其達到模塊化的發展要求[6]。陣面基本模塊具有完整的天線陣面系統功能，可獨立工作，亦可根據探測威力的大小進行擴展和分解，具有很高的靈活性，因此本文介紹的大型相控陣雷達天線陣面的模塊化設計具有廣闊的應用前景。