相控阵雷达天线阵面基本模块结构设计

朱志远，关宏山

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

为了满足现代雷达装备探测能力不断提升的需求，固定站相控阵雷达阵面向大型化发展，内部设备众多，结构设计复杂，安装难度大[1]。传统的设计思路是将大量电子设备运至现场安装调试，无形增加了天线系统现场安装、性能调试的难度。阵面基本模块的设计思想是将规模庞大的天线阵面划分为机械结构、电讯功能完全相同的独立模块，使其具有广泛的通用性和独立分解、重新组合的功能[2-3]，系统上降低了大型雷达天线阵面设计、安装和调试的复杂性。同时天线阵面的模块化设计还具有以下特点：阵面组合灵活，可根据需要进行二维扩展；具备完整的接收发射功能，可作为独立的雷达系统进行调试和工作；转移大型天线系统安装精度要求，降低天线骨架现场架设的难度；具有一致性和可互换性，适合批量生产，节约研制成本。

1 组 成

某大型相控阵雷达天线阵面包含上万个天线单元，结合机械加工、性能调试、现场吊装和后期维护等要求，将天线阵面分为180个结构和功能相同的阵面基本模块，如图1所示。

图1 阵面基本模块外形图

每个阵面基本模块集成了天馈、收发、校正、监控、供电和环控等系统，设备量多，逻辑关系复杂，安装要求高，因此合理的结构划分和设备布局对天线系统功能的实现起到关键性作用。本文根据阵面基本模块的结构、电讯特点，将其分为天线阵列模块和高频机柜两大组成部分。

2 结构设计

2.1 天线阵列模块设计

天线阵列模块主要包含前骨架、天线、馈线等无源设备。前骨架是阵面基本模块的主承力结构件，前面安装天线单元和天线罩，内部安装校正网络和收发滤波器。在结构布局上做到天线单元、校正网络和收发滤波器的一一对应关系，如图2所示。

图2 天线阵列模块示意图

前骨架主要由承力框架、反射板和盖板组成。结构件全部采用铝质材料，在满足结构刚度的前提下，实现了系统轻量化的要求。框架和反射板之间采用铆接工艺，避免了铝材因焊接而造成的骨架变形。为了保证反射板铆接后即达到天线安装精度要求，铆接工作在专用保形工装上进行。铆接前反射板与框架之间采用定位销定位，同时两者之间的加工基准一致，确保铆接精度。

图3 前骨架结构图

2.2 高频机柜结构设计

阵面基本模块的有源电子设备均安装在高频机柜中。依据设备的主要功能、外形尺寸和连接关系摆放设备，同时应注意以下几点：考虑设备互连关系，减少电缆长度，降低系统损耗；有利于设备的散热，提高环控系统的效率；保证可维修性，根据设备维修的优先级进行合理布局。

高频机柜采用成熟的钣金结构形式，由于机柜倾斜安装容易造成维修门与地板干涉，所以将机柜门分为上下两部分：上部为对开门，下部为推拉门。机柜两侧盖板采用快锁结构，方便安装在左右两侧设备的快速拆装。

由于钣金结构的机柜自身尺寸精度较差，无法满足有源模块的安装要求，所以在机柜内部增加高精度的盲配盒作为有源模块的过渡安装结构件。高频机柜设备安装如图4所示。

图4 高频机柜结构及设备布置图

3 热设计

阵面基本模块作为一套完整的天线系统，高效、可靠的散热方式对保证雷达系统的工作性能是十分重要的。天线阵列模块内部主要以电缆和滤波器发热为主，分布均匀且发热量小，宜采用风冷进行散热。如图2所示，在前骨架两侧盖板上安装两个风机达到内部空气流动即可满足要求。热仿真结果如图5所示。

图5 风冷热仿真云图

高频机柜内有源模块总热量和热流密度都比较高，风冷无法满足设备散热要求，采用液冷是更加科学的选择。如图4所示，安装在机柜侧边的两根液冷分配器通过二级管网与有源模块并联，形成冷却系统。箱内某有源设备液冷仿真结果如图6所示。

图6 有源模块液冷热仿真云图

4 电缆布线设计

阵面基本模块内部各设备相互连接的电缆种类多、数量大，按电缆的电压、电流和频率特征可分为电源电缆、控制电缆和射频电缆[4]。为了防止电缆之间的相互电磁干扰，在布线时需要将电源电缆与控制、射频电缆相互隔离。

在电缆布线设计时，充分考虑到强弱电分离走线的原则。将有强电压输入输出的电源汇流条安装在机柜右侧，其余控制、射频等弱电设备安装在机柜左侧，达到相互不干扰。同时所有电缆纵向走线固定在机柜中间四根纵梁之中，横向固定在盲配盒背板上，与背板的连接器相连，走线整齐美观，并且不影响各设备维护。

5 密封性设计

雷达天线阵面的密封性是雷达可靠运行的重要保障[5]。天线阵面若发生漏水现象，会造成模块内部电子设备腐蚀，从而影响电性能指标，严重时会发生安全事故。因此天线阵面的密封防水设计是结构设计中的重点之一。

本结构主要体现在反射面、天线单元与阵面基本模块内部的密封防护。前骨架反射板与框架铆接前，所有铆钉涂硅橡胶密封，待胶固化后，逐一做24 h浸水实验，如图7所示。

图7 前骨架浸水实验

天线单元安装在天线罩内部，天线罩采用PPO材料注塑成型，分为底座和上罩两部分。底座内圈通过螺钉与反射板连接，外圈O型密封圈与反射板压实密封。上罩底部安装平面密封圈，通过卡槽与底座翻边压紧密封，具体结构如图8所示。

图8 天线罩剖面图

6 结束语

本文从模块划分、设备布局、阵面环控、电缆布线、密封防水等方面阐述了某大型相控阵雷达阵面基本模块的结构设计。通过统一化设计，使其达到模块化的发展要求[6]。阵面基本模块具有完整的天线阵面系统功能，可独立工作，亦可根据探测威力的大小进行扩展和分解，具有很高的灵活性，因此本文介绍的大型相控阵雷达天线阵面的模块化设计具有广阔的应用前景。