某车载高机动雷达关键技术研究

胡龙飞，陈冬宇，常文凯，李丽娴，王 洪

(上海航天电子技术研究所， 上海 201109)

某车载高机动雷达关键技术研究

胡龙飞，陈冬宇，常文凯，李丽娴，王 洪

(上海航天电子技术研究所， 上海 201109)

文中将模块化方法应用到一种车载高机动雷达的结构总体设计上，利用印刷电路板工艺，开展阵面互联技术研究，实现天线、T/R组件、电源之间的盲插连接，节省了大量电缆成本。为解决天线阵面设备散热问题，对分布式风冷送风结构和高频箱骨架进行一体化设计，并采用安装过滤器的方法防止灰尘、雨水、盐雾等对电子设备的侵蚀。

模块化；高机动；阵面互联；冷却系统

引 言

高机动雷达具有快速转场(架设、撤收、运输)、有效避免遭受敌方攻击和杀伤、充分发挥作战效能的能力，因而逐渐成为现代信息化战争的重要军事装备。随着电子、微电子技术的发展，雷达系统集成度越来越高，系统设备逐渐向天线阵面端前移，电子设备热耗不断提高，研制周期要求越来越短，这对雷达的研制思路、流程、技术提出了更高的要求。世界各国都在大力发展机动式雷达，如法国的MASTER雷达、欧洲防空防务航天公司的TRM-L/S雷达等。

根据现代战争中快速打击时间的大幅缩短要求，不少高机动雷达架拆时间已压缩至10 min以内。如何设计出一部性能优良的高机动雷达，是结构总体面临的主要任务和难点。文献[1]指出，高机动雷达需处理好机动性与整机布局、运输适应性、整机可靠性、维修性等的关系。文献[2]介绍了一种相控阵雷达，其波导阵面口径达8.5 m × 6 m。为解决大型阵面折叠运输问题，作者将液压系统应用到天线布局上，46条波导分为上、中、下3块，各分块间用铰链连接。运输时，天线折叠成“∏”型，工作时，液压缸驱动天线展开到平面状态。

本文以某低空目标监视三坐标雷达为对象，开展整机布局、阵面冷却、设备互联与快速安装等技术研究。雷达由天线、载车、方舱、电站等系统组成，按照总体要求，将所有设备集成到一辆猛士越野汽车底盘上，实现单车快速作战。

1 雷达总体设计思路

为缩短雷达整架周期，减少各组成部分之间的关联程度，将模块化设计思想应用到雷达设计中。雷达总体结构分为3个总成，分别是载车平台总成、方舱总成和天线阵面总成。3大总成间结构上采用螺栓连接，各总成设备独立安装、调试，其中天线阵面总成涵盖天线总装、转台与液压倒竖等系统。模块化设计使各总成间接口简单，设计差错减少，且各自生产流程牵扯少，便于提高研制进度。雷达系统组成如图1所示。

图1 雷达系统组成

为降低雷达功耗，天线阵面总成集成了大部分系统设备，如天馈系统、T/R组件、阵面电源、转台等；且为降低汇流环功能需求，提高其可靠性，信号处理系统也集成在高频箱内。天线阵面沿射频链路方向由3层结构组成，分别是天线单元层、单元组件层和信号设备层，如图2所示。

图2 雷达天线阵面架构

2 雷达关键结构设计

2.1 天线阵面互联与盲插技术

阵面互联技术是近年发展起来的一种信号集成传输技术，以有源系统的高频信号、波控信号、电流信号等复杂传输链路为研究对象，借助印刷电路板实现有限面积内的射频通道、低频通道、供电网络等功能模块或更多子系统的高度集成[3-4]。

由于T/R组件与行馈单元分别安装在高频箱内、外两侧，其馈电口位置无法一致，按传统方法须采用电缆实现二者转接；同时，组件的输入波控信号、供电信号也须用电缆连接。大量电缆一方面给设备安装、维护、维修带来不便；另一方面会增加研制成本。为此，本方案中研制了一种多功能综合背板，如图3所示。

图3 综合背板

综合背板含射频背板和低频背板两部分，固定在高频箱内壁。T/R组件与行馈通过背板上的MBM连接器实现射频信号的发射与接收。射频背板还集成了阵面耦合监测功能。T/R组件与阵面电源共用J30J连接器实现波控信号、电流信号的传输。综合背板上所有连接器均采用盲插浮动设计。天线阵面信号互联网络如图4所示，雷达阵面如图5所示。

图4 天线阵面信号互联网络

图5 基于互联技术的雷达阵面

2.2 高频箱冷却结构

高频箱内放置有T/R组件、阵面电源、信号处理组合等设备，为确保电子设备都能可靠工作，需对高频箱设备进行散热设计。常规冷却方式包括液冷和风冷，风冷方式在设备量、可靠性上高于液冷，因此本雷达采用开放式强迫风冷的冷却方案。

在有限的空间内实现设备散热，采用何种送风方式确保各个热源都能得到有效冷却是设计的关键。通常情况下，集中式送风在结构上较易实现，但其不足在于若设备量多且分布广则需较大尺寸的进风口来保证热源获得均匀的风量分配[5]。对于T/R组件，不均匀的风量分配会导致其温差过大，使得功率管性能参数发生变化，从而影响雷达性能。送风方式与阵面结构(外形、内部设备布局等)密切相关，但在实际设计中，往往受到阵面结构尺寸的限制，送风系统无法获得足够的设计空间。

根据测算，高频箱内系统热耗P约为2 kW，按温升ΔT为15 ℃设计，冷却风量需求：

结合高频箱内热源分布范围广的特点，采取分层分布式静压抽风冷却方案，如图6所示。具体内容是：

1)按热耗大小将高频箱设备分为高、低功率层，高功率层包含24个T/R组件和6个阵面电源，低功率层包含天线管理单元组合、频综组合和信号处理组合等。

2)针对高功率层，在高频箱两侧内壁各设置1个静压腔，冷板与静压腔密封连接，两侧外壁分布8只风机，组件、电源固定在冷板上下表面；雷达工作时，两侧风机组合同时作用，保证足够风压，从进风口进入高频箱的冷风穿过冷板散热翅片实现热交换，被加热的空气最终排入大气空间，带走电子设备热量。

3)低功率层热耗较小，进风口设置在高频箱底部，高频箱“两肩”处各布置1只风机抽风冷却即可。

图6 高频箱冷却结构示意图

为验证冷却系统设计合理性，采用Flotherm软件对该方案进行热仿真分析。图7为天线阵面系统冷却仿真中模拟空气流动压力的粒子流图。从图中可以看出，冷却空气进入多块冷板后压力变化一致，这表明风量均匀，静压腔起到了空气均压分流的作用。图8为热源剖面温度云图，热源处最高温度为64.6 ℃，满足芯片使用要求；相同冷板上热源的温度梯度在5.4 ℃左右，相邻冷板上对应热源处的温度近似相等，这种温度分布很好地保证了各芯片的温度一致性。

图7 空气流动压力粒子流图

图8 热源剖面温度云图

为解决开放式风冷结构的阵面防护问题，设计时采取以下措施：

1)高频箱结构与冷却风路结构采取一体化设计，腔体按密闭结构设计，工作时冷风只能从冷板风道中通过。

2)结合空气净化技术，在进风口加装含防水透气膜的百叶窗，利用该装置对灰尘、雨水、盐雾等进行过滤，确保进入风道的冷风干净。按此方法设计的百叶窗如图9所示。

图9 风冷百叶窗

2.3 阵面设备快速安装结构

本雷达中，T/R组件、阵面电源尺寸约为150 mm × 150 mm × 25 mm，安装在冷板上，按传统方式采用多枚螺钉固定，但冷板间间距只有50 mm，螺钉操作空间不足。为解决设备安装固定问题，开发了一种楔形锁紧条，锁紧方案如图10所示。

图10 阵面设备快速锁紧结构

楔形锁紧条主要由4部分组成，如图10(b)所示。

固定杆固定在冷板表面，组件、电源沿锁紧条导向盲插到位后，拧紧螺杆，锁紧条两头的楔块1、楔块2沿固定杆斜面运动，将设备压紧在冷板表面。这种结构将传统的螺钉法向固定方式调整为平面方向固定，大大节省了操作空间，且对设备快速安装、更换起到了关键作用。

3 结束语

本文以某高机动雷达为例，制定模块化结构总体方案。在系统架构上，创新研究天线阵面互联技术，实现了多个设备间盲插互联互通。提出分布静压送风方式解决设备风量不均问题，并通过安装过滤器来确保良好的阵面环境。为解决设备安装操作空间不足的问题，开发了一种楔形锁紧结构，实际使用效果良好。

[1] 赵德昌. 地面高机动雷达结构总体设计探讨[J]. 电子机械工程, 2007, 23(3): 19-23.

[2] 王宏. 相控阵高机动雷达天线结构研究及其实现[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[3] 吕慎刚, 赵春林. 盲配互连设计在T/R组件中的应用[J]. 电子机械工程, 2014, 30(6): 19-21, 26.

[4] 杨维生. 雷达用多层微波综合背板制造工艺研究[J]. 现代雷达, 2011, 33(10): 77-80.

[5] 陈国平. 某远程三坐标雷达热控系统设计[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

胡龙飞(1980-)，男，高级工程师，主要研究方向为天线微波结构设计。

Study on Key Technology of a Vehicle-borne Phased Array Radar

HU Long-fei，CHEN Dong-yu，CHANG Wen-kai，LI Li-xian，WANG Hong

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

In this article, modularization idea is used for the system structure design of a vehicle-borne high-mobility radar. Printed circuit technology is exploited for antenna interconnection study. Antenna, T/R module, power module are connected together using blind-mate connectors, saving lots of cables. To solve the heat dissipation problems of antenna devices, the air channel structure of the distributed air-cooling system and the framework of the high-frequency cabinet are integrated together, filtration devices are also installed to prevent the erosion caused by dust, rain, salt fog, etc.

modularization; high-mobility; antenna interconnection; cooling system

2016-12-06

TN959.71

A

1008-5300(2017)03-0016-04