一种星载雷达T/R组件与波控单元连接设计*

程 丹，王长武

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

一种星载雷达T/R组件与波控单元连接设计*

程 丹，王长武

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

T/R组件与波控单元的连接对于有源相控阵雷达的性能具有十分重要的意义，星载雷达小型化、轻量化及高可靠性特点对单机之间的互连提出了更高的要求。文中提出了一种适用于星载有源相控阵雷达的T/R组件与波控单元之间的连接方法，通过合理的单机布局、互连电缆设计、安装板结构设计以及装配工艺的优化，实现了T/R组件与波控单元的有效、可靠连接，满足了星载雷达小型化、轻量化的要求，并通过在某星载雷达上的应用对该方法的效果进行了验证。

星载雷达；T/R组件；波控单元；连接设计

引 言

有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产物，具有灵活性好、自适应性好、功能多、可靠性高、全寿命使用周期成本低等优点[1]，已得到越来越多的应用。T/R组件是有源相控阵雷达的核心技术之一，而波控单元为T/R组件提供定时信号、时钟信号和串行数据，控制相位,采集T/R组件工作状态等，因此T/R组件与波控单元的连接对于有源相控阵雷达的性能具有十分重要的意义。

目前，星载合成孔径雷达多采用有源相控阵体制。星载雷达天线口径大，其T/R组件多达几百甚至几千个，从结构布局来说，一般数个甚至数十个T/R组件对应一个波控单元。同时空间环境的特殊性及恶劣的环境条件，要求星载雷达寿命长、可靠性高、体积小、重量轻[2]。因此，如何在有限的空间内合理布置T/R组件与波控单元，实现二者的连接，并满足星载雷达严酷的环境条件，成为星载雷达结构设计的一个难题。

1 T/R组件与波控单元的工作原理

有源相控阵天线上的波控单元对上层波控分机送来的数据进行解码和分配。T/R组件内的波控芯片接收经波控单元解码和分配的指令，实现不同组件在接收和发射工作模式下对不同器件状态的控制。

T/R组件与波控单元之间的功能关系如图1所示。T/R组件与波控单元之间的电气接口主要实现供电、控制、定时等功能，为低频信号，可通过低频电缆实现。

图1 波控单元与T/R组件的电气关系示意图

2 T/R组件与波控单元的连接

2.1 传统连接方式

在传统的有源相控阵天线阵面上，T/R组件与波控单元之间一般直接通过电缆在表面进行简单连接。但对于星载雷达天线来说，常规的连接方案存在以下不足：

1)受电缆接插件尺寸、弯曲半径以及布线的影响，一般需要占用较大的空间，不利于星载雷达天线的小型化；

2)电缆长度受单机布局及相对位置影响，一般较长，且需增加固定夹沿途固定，从而增加了重量，不利于星载雷达的轻量化；

3)在常规的连接方式下，接插件通过紧固件连接固定，但由于无限位措施，在振动或冲击环境下有脱落的风险，影响连接的有效性；

4)星载雷达天线高度集成化，暴露于表面的电缆若防护措施不到位，在装配、试验等过程中就容易遭到挤压、碰撞，造成损伤，影响连接的可靠性。

2.2 新型连接设计

2.2.1 单机布局设计

某星载天线阵面电气部分由若干个有源模块组成，每个模块的主要承力部件为有源安装板，各单机(如T/R组件、波控单元、功分网络、二次电源等)及单机间互连电缆均安装于有源安装板的正反两面。在进行单机布局设计时，遵循以下基本原则：

1)统筹考虑各单机的外形、重量，在合理利用结构空间的前提下，尽量使重量均匀分布，避免安装板承重不均；

2)充分考虑单机间的电气互连关系，通过合理布局，尽量减少互连电缆的数量和长度，实现减重；

3)在单机互连方式设计中，兼顾电性能及连接的可靠性。

在该星载雷达天线布局方案中，考虑到T/R组件与波控单元的结构外形以及电气接口关系，综合考虑阵面其它单机的外形、重量及互连关系等，将T/R组件与波控单元分别安装于有源安装板的正反两面，如图2所示。连接电缆需贯穿有源安装板，实现位于安装板两面的T/R组件与波控单元的连接。

图2 T/R组件与波控单元布局示意图

2.2.2 连接电缆设计

(1)电缆连接关系

该星载雷达天线每个有源模块由若干个T/R组件和波控单元组成，每个波控单元对应20个T/R组件，一个波控单元有4个与T/R组件的连接接口，即每个接口对应连接5个T/R组件。因此，对应的连接电缆为1分5电缆，即从波控单元1个插头出来后分成5股，根据信号种类要求，每股电缆又包含若干根电线，汇至1个接插件上，分别与1个T/R组件相连。

(2)接插件选择

连接电缆接插件的选择需与波控单元、T/R组件上与之配合的接插件的选择一同考虑。根据波控单元的信号接口要求，综合考虑其结构外形尺寸，其上用于输出T/R组件控制信号的接口选择J30J系列矩形连接器(孔)，对应的1分5电缆上与波控单元连接的一端也选用相应型号的J30J系列矩形连接器(针)。

根据T/R组件的信号接口要求，综合考虑其外形尺寸、内部结构及在有源安装板上的安装方式，其上用于波控信号输入的连接器选择若干芯的插针，焊接于T/R组件内部的印制板上。对应的1分5电缆上与T/R组件连接的一端选用对应芯数的J71(YH)系列小型矩形电连接器。所有接插件的选择均在卫星型号产品元器件优目录内，应在设计选型、生产工艺、检验与试验以及使用操作各个环节严格控制其质量，以满足航天产品高可靠性要求[3]。

(3)电缆防护设计

为防止连接电缆，尤其是穿过有源安装板部分，在装配过程中受损，必须在电缆外部采取一定的防护措施。电缆防护一般可采取在外部增加保护套的方式，保护套材料可选择热缩套管、锦纶丝套等。前期对不同材料进行的试验发现，选择热缩套管对电缆进行热缩保护后，电缆较硬，弯曲半径增大，装配时不方便打弯，受力弯曲可能带来内应力而使电缆受损，不适用于此处贯穿有源安装板的连接方式。因此，最终选取了在电缆外部增加锦纶丝套的方式进行防护，一方面，锦纶丝套柔性好，便于装配时打弯，不会对电缆产生应力作用；另一方面，锦纶丝套韧性也比较好，能够对电缆尤其是穿孔部位的电缆进行有效防护。1分5连接电缆的外形如图3所示。

图3 1分5电缆外形示意图

2.2.3 有源安装板设计

该星载雷达天线阵面的有源安装板采用铝蜂窝夹层结构，即由上下铝蒙皮及中间铝蜂窝夹芯组成，各层之间采用胶结固化成型。为了节省空间，实现T/R组件与波控单元间1分5连接电缆的放置，在有源安装板T/R组件下方与T/R组件插针对应的位置开设凹槽，用于镶嵌放置1分5连接电缆的矩形插座。有源安装板上凹槽的形状与1分5电缆矩形插座形状类似，大小比插座尺寸略大，以方便安装。深度尺寸比插座高度略大，留有约0.5 mm的间隙，既避免了尺寸太小使接头受挤压，也防止了间隙过大无法限制接头而使连接脱开。另外，在有源安装板上连接电缆穿过的通孔四周倒圆角，防止连接电缆在装配过程中摩擦受损。图4和图5为有源安装板的外形及通孔局部示意图。

图4 有源安装板实物图

图5 有源安装板通孔局部示意图

2.2.4 装配流程设计

鉴于以上单机布局、连接电缆和有源安装板结构设计，需考虑单机及连接电缆的装配工艺流程。波控单元、T/R组件及其互连电缆在有源安装板上的装配集成顺序如下：

1)将波控单元安装于有源安装板上；

2)使1分5电缆一端与波控单元插座连接；

3)使1分5电缆的5股电缆(连5个矩形插座)分别从有源安装板上的5个通孔穿过至安装板另一面；

4)依次使1分5电缆的5个矩形插座分别与5个T/R组件底部的电缆插座连接；

5)将已连接在T/R组件底部的矩形插座逐一放置于安装板上对应的凹槽内；

6)通过紧固件依次将5个T/R组件安装固定于有源安装板上。

2.3 连接设计总结

本文提出的T/R组件与波控单元的连接方式，与传统的连接设计相比，具有以下优势：

1)通过单机合理布局，有效利用安装板结构形式，并选择合适的接插件型号，实现连接电缆的内置安装，不占用走线空间，有利于星载雷达的小型化；

2)电缆路径短，且走线无需固定夹固定，有利于星载雷达的轻量化；

3)与T/R组件连接的电缆接插件镶嵌放置于安装板内，通过T/R组件和安装板结构实现了限位，避免了脱落风险，确保了连接的有效性；

4)一方面连接电缆不暴露于天线表面，在装配、试验中不会受到外力挤压、碰撞，另一方面通过安装板局部倒圆角，并对连接电缆采取有效防护措施，有效避免了电缆受损，提高了连接的可靠性。

另外，通过优化装配流程，使得该连接方法合理可行，可操作性强。

3 验证情况

在该星载雷达整个天线阵面上，T/R组件与波控单元的连接共有几百处，完成装配后随天线及整星完成了产品各阶段的力学试验、性能测试，均未出现连接失效问题。目前已有卫星成功发射，且在轨已超过3年预定寿命期，运行正常，性能稳定，充分验证了该种连接方法的有效性和高可靠性。

4 结束语

随着星载雷达的发展，有源相控阵天线的通道数日益增多，受天线口径及卫星平台尺寸和承载能力的约束，天线阵面集成化和轻量化的设计需求也日益突出。对星载有源相控阵雷达性能非常重要的T/R组件与波控单元的连接设计，必须在实现连接的有效性和可靠性的前提下，满足卫星发射阶段苛刻的力学环境，并综合考虑阵面集成化和轻量化的要求。

文中介绍的T/R组件与波控单元的连接方法，突破了传统的电缆连接方式，使电气连接与单机布局设计、结构件设计以及装配工艺设计紧密结合，实现了空间利用的最大化以及雷达的小型化和轻量化，同时提高了连接的可靠性。该连接方法可在类似的星载雷达天线T/R组件与波控单元的连接上推广应用。同时，该设计思路对于星载雷达天线阵面的集成化、轻量化设计也具有重要的参考价值。

[1] 蒋庆全. 有源相控阵雷达技术发展趋势[J]．国防技术基础, 2005(4): 9-11.

[2] 周冠杰，赵玉洁. 星载雷达结构设计的特点[J]．电子机械工程, 2008, 24(2): 35-40.

[3] 杨奋为．航天用电连接器的可靠性研究[J]．上海航天, 1997(1): 35-39.

程 丹(1982-)，女，高级工程师，主要从事机载、星载雷达结构设计工作。

王长武(1973-)，男，研究员级高级工程师，主要从事机载、星载雷达结构设计工作。

Connection Design between T/R Modules and Wave-control Units Applied to Space-borne Radars

CHENG Dan，WANG Chang-wu

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Connection between T/R modules and wave-control units is very important to performance of the active phased array radar. Miniaturization, light-weight characteristic and high reliability of space-borne radars put forward higher requirements for connections between electronic devices. In this paper, a connection method between T/R modules and wave-control units applied to space-borne active phased array radars is put forward. By reasonable distribution of devices, design of connection cable, structural design of the fixing board and optimization of assembly techniques, an effective and highly reliable connection between T/R modules and wave-control units is achieved, which meets the miniaturization and light-weight requirements of space-borne radars. The effectiveness of this method has been verified by application in real space-borne radar.

space-borne radar; T/R module; wave-control unit; connection design

2014-07-08

TN811

A

1008-5300(2015)01-0032-03