某相控阵天线可靠性控制

郑蒨

摘要：某卫星是一颗具备高分辨率成像能力的C频段多极化合成孔径雷达（SAR）成像卫星，也是我国首颗设计寿命达到8年的低轨C频段多极化高分辨率微波遥感卫星。该卫星SAR有源相控阵天线采用可折叠二维有源相控天线阵体制。本文介绍了该星载相控阵天线可靠性设计以及评估试验情况，针对其开展分析，梳理其主要故障模式，提出相应的可靠性评估模型和方法；通过可靠性试验验证，采集了产品地面试验数据，对该相控阵天线开展可靠性评估并给出了该星载相控阵天线在轨可靠性寿命结果。本文的方法对其他有源相控天线可靠性设计有极大的借鉴作用。

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.

关键词：星载合成孔径雷达；相控阵天线；可靠性；建模

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

中图分类号：TN821+.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0131-03

0 引言

某卫星是我国首颗C频段多极化高分辨率微波遥感卫星。该卫星能够全天候实现全球海洋和陆地信息的监视监测，并通过左右姿态机动提升快速响应能力、扩大对地观测范围。其获取的C频段多极化SAR图像可以用于国民经济多个领域。

該卫星是我国首颗设计寿命达到8年的低轨长寿命卫星，其SAR天线采用了开展开平面二维扫描固态有源相控阵天线体制。该SAR天线由天线子阵、TR组件、延时放大组件、波束控制器及波控单元、射频收发及定标馈电网络、二次电源、天线配电器、高低频电缆网、有源安装板、结构框架、展开机构和热控等部分组成。天线阵面分为4块可展开面板，其中ab面板组成天线阵面-X翼，cd面板组成天线阵面+X翼，其组成关系如图1所示。

1 相控阵天线可靠性设计

由于该卫星设计寿命达到8年，对SAR天线可靠性设计提出了很高要求。该有源相控阵天线所选用的元器件满足卫星任务质量等级要求，部件和设备的可靠性保证符合8年设计的标准和规范。该有源相控阵天线采用硬件冗余设计、功能冗余设计和软件容错设计，消除系统级单点故障，对不能消除的单点故障采取有效措施降低其失效概率。

该星载SAR天线所有部件和设备具有所规定的可靠性设计要求和指标，关键部件，如TR组件、延时放大组件、波控单元、驱动放大器、波束控制器、天线配电器和二次电源经过了可靠性试验，证明了其可靠性设计和指标。

1.1 可靠性设计和建模

该星载C频段多极化SAR有源相控阵天线在总体设计和各单元设计中采取冗余设计提高系统可靠性。经计算，阵面通道等效失效10%时，阵面性能下降不明显。

TR组件、延时放大组件、波控单元等数量较多的部件都采取表决冗余设计。二次电源、波束控制器、驱动放大器内部采取冷备或热备冗余。天线配电器加电开关电路利用继电器双并联备份，使能开关电路的冗余设计包括使能继电器的两并两串以及单个继电器的两组触点并联备份，天线配电器接收OBDH和监控定时器的控制指令均能实现对阵面二次电源的使能控制，在控制方式上具备冗余。

该卫星SAR天线全阵面工作时，在TR通道和天线单元中，允许失效1.95%；TR供电+TR波控允许失效2.1%；延迟放大组件中允许失效3.1%；波控单元允许失效2.1%，合计最坏情况允许9.2%个TR通道不能正常工作。经过对天线仿真计算，10%以内TR通道不能正常工作，天线性能能满足要求；另外阵面二次电源、天线配电器、1：4功分器，1：6功分器，单翼电桥，波束控制器，驱动放大器，1套展开机构和1套热控系统为可靠性性串联模型。高低频电缆的可靠性合并在各单元中计算，定标网络为系统自检用不计入系统可靠性。SAR天线其可靠性框图见图2。可靠性数学模型为

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

其中，表决冗余的R1、R2、R3、R4可靠性数学模型为：

式中：R天线（t）表示SAR天线的可靠度；

n为单元总数；k为要求正常工作的单元数。

1.2 SAR天线的可靠性预计结果

该SAR天线在轨道上运行8年时间，在轨工作时间累计不小于用户需求时间的可靠性预计结果为0.9113，满足可靠度指标要求。

2 该星载SAR天线可靠性试验验证

按SAR天线寿命试验要求，SAR天线中波控单元、驱动放大器、TR组件、波束控制器、延时放大组件开展了8年寿命摸底试验。该天线寿命摸底试验采用鉴定产品，试件由1个极化的天线模块（含8个4通道TR组件、4个延时放大组件、1个波控单元、1个阵面二次电源、1套馈电网络、1套电缆组件）、1个驱动放大器、1个波束控制器、1个天线配电器组成一个系统试验。

基准工作温度为45℃，工作时间大于5500h，采用加速寿命试验，加速寿命试验温度选取65℃，加速寿命时间为大于500h。

为了确保整个寿命试验过程中试验测试数据的准确性，需要温箱内温度稳定在65℃左右，做寿命试验的试验箱有10个温度监测点，每个温度点检测位置安装在冷板上的波束控制器、二次电源、波控单元、驱动放大器和天线配电器上。

3 可靠性试验结果

在壽命试验开始前，对所有天线射频接收通道的基态的幅度和相位进行了测试，并对移相衰减态进行了测试记录，第一阶段寿命试验结束，再次对所有TR接收通道的基态的幅度和相位进行了测试记录，并对移相衰减态进行了测试记录，并对每个态位的移相衰减精度进行了计算和比较。

图5、图6为低、中、高三个频点的32个TR通道的幅相误差数据随寿命试验时间变化图。从图中可以得到以下结论：幅度误差在8年寿命时间变化范围为[-0.15dB，0.15dB]，满足指标要求。相位误差在8年寿命时间变化范围为[-8°，2°]，满足指标要求。

图7、图8为试验前后衰减和移相精度结果，天线射频通道衰减精度在±1dB以内，移相精度在±5°左右。

图9、图10可以看出，在试验过程中，控温措施有效，各单机温度基本控制在65±1.5℃范围内。

4 试验进程

某星载SAR有源相控阵天线寿命试验分为两个阶段：第一阶段为寿命加速试验；第二阶段为额外寿命加速试验。第一阶段寿命加速试验验证了某星载SAR有源相控阵天线可以在轨道上无故障运行8年以上时间，第二阶段寿命加速试验用于验证SAR天线可以在轨道上无故障运行10年以上时间。第一阶段和第二阶段的寿命试验测试结果：所有单机工作正常，射频性能没有明显下降。该星载SAR有源相控阵天线预计寿命可以达到15年以上。

5 总结

本文将可靠性设计理论用于某星载SAR有源相控阵天线工程实际，围绕天线口径幅度和相位误差精度可靠性进行了详细的分析和设计，经过多项实验证明，该星载SAR有源相控阵天线可靠性指标完全满足卫星应用的要求，所用的设计方法和可靠性试验方法对其他相控阵天线系统可靠性控制有积极的指导意义。

参考文献：

[1][美]Dev Raheia Louvis j.Gullo.可靠性设计，2.7.2可靠性增长建模.

[2]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.可靠性试验技术.4.6试验设计与实施.

[3]张良.低副瓣固态有源相控阵天线可靠性分析[J].现代雷达，1992（06）.