一种X频段天线有源子阵的维修性设计与分析*

余 觉，姚 晔，顾叶青

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

引 言

维修性反映了产品在一定条件下由故障状态恢复为额定状态的能力，是产品重要的质量特性[1]。有源相控阵天线作为典型的机电一体化系统，具有结构集成度高、电讯功能复杂的特点，出现故障后如果不能快速定位并修复，可能会对战场态势造成严重后果。因此，维修性是影响有源相控阵天线综合服役性能的重要指标之一。

有源子阵是高频段有源相控阵天线的核心结构和电讯功能组成部分[2–3]。通常情况下，有源子阵是将若干个电子阵的阵列单元与T/R组件、功分网络、波控网络、二次电源和驱动延时器等设备模块化集成所形成的阵列模块，具有完整的结构、冷却和电讯调试功能[2–4]，其集成度体现了有源相控阵天线阵面的组合性、互换性和可靠性。

由于天线阵面骨架、阵列单元、等相层、综合网络、汇流条等阵面组成部分均为无源器件，其可靠性由结构设计和工艺实现保证，在服役过程中出现故障的概率较低。相比之下，有源子阵完成相控阵雷达信号收发、传输放大、接口控制和阵面监测等功能，在长期工作中因器件老化、结构振动冲击等原因，部分模块功能异常的可能性很大。据统计，某型相控阵雷达发射机工作状态平均每小时就有一个集成于有源子阵内部的T/R组件发生故障[5]。因此，提高有源子阵的维修性，对提升天线阵面的服役可靠性、保障相控阵雷达的作战能力至关重要。

X频段天线波长较短（2.42∼3.66 cm），单元间距小，一般采用子阵级数字化[6–7]，即由若干个天线单元构成一个“电子阵”并对应一个数字通道，再将多个数字通道合成为一个结构有源子阵。因此，X频段天线有源子阵结构集成度更高，有源设备排布更密集，出现故障的概率也显著增大。为此，本文从提高维修性的角度出发，提出了一款高集成模块化X频段有源子阵，并对其维修性进行了分析验证。

1 某X频段有源子阵结构概述

有源子阵是相控阵天线阵面的基本扩展单位。某X频段火控雷达有源子阵采用刀片式架构，如图1所示。子阵骨架采用功能一体化设计，不仅用作子阵内部电气设备的承载封装结构件，而且还在骨架中间集成加工了冷却流道，用作高功率元器件的散热冷板。子阵厚度方向采用等距阵列，对应两个阵元间距；长度方向采用扩展阵列，依次平铺5个数字通道，每个通道对应一个2×8的电子阵。整个有源子阵对应的阵元数共计80点，子阵结构总质量约为10.8 kg。

作为相控阵天线实现完整电讯功能的最小模块，该X频段有源子阵从辐射面向后，主要分为T/R组件层和子阵综合模块层两个层次（图1）。其中，T/R组件层主要由T/R组件以及为其供电的二次电源组成。T/R组件实现电磁波信号的收发放大和波束扫描控制，是有源子阵最核心的组成部件[1]。本例中，T/R组件的通道数为4，整个有源子阵包含20个T/R组件，正反对称地固定安装在子阵骨架的冷板两侧，结构简洁，拆装维修简单方便。

子阵综合模块层主要由子阵综合层（包括射频信号网络、波控信号网络、电源网络）、驱动延时器、1分5功分器和数字接收通道组成。驱动延时器的作用是对激励信号进行功率放大和波束补偿，并通过功分网络分配到T/R组件。数字接收通道主要将微弱的射频回波信号变换为大幅度数字信号，并发送至雷达处理系统[1]。以上部件均采用模块化设计，通过盲插走线连接。驱动延时器与1分5功分器采用正反背贴叠层布置，充分利用了有源子阵的厚度方向尺寸。

在天线阵面装配过程中，有源子阵从阵面后端的高频箱插入阵面，通过盲插的方式与辐射前端的天线单元以及等相层进行结构互联，实现雷达信号的收发与处理。通过模块化集成设计，不仅简化了有源子阵结构，减轻了重量，降低了研制风险，还实现了分级调试，提高了子阵维修保障的效率。

2 子阵维修性设计

2.1 维修方案及要求

X频段天线阵面维修的主要对象为有源子阵。为了提高雷达产品的维修效率，该X频段阵面在基层级具备完善的阵面监测功能，能够将故障直接定位到有源子阵内部出现异常的T/R组件、延迟驱放模块、数字模块等基本组成单位，从而为有源子阵的快速维修与保障明确了方向。

X频段有源子阵采用后向维修方式，维修过程中不需要拆装天线罩。维修子阵时，只要打开对应的舱门，脱开连接有源子阵与控制网络的波控电缆，松开子阵的上下固定螺栓，即可将子阵从阵面后方拔出开展维修操作，如图2所示。

图2 有源子阵后向拆卸过程

采用平均修复时间（Mean Time To Repair, MTTR）对雷达产品的维修性进行定量评价。MTTR描述了产品由故障状态转为工作状态所需修理时间的平均值[8]。该X频段天线阵面分系统的维修性指标要求MTTR不超过23 min。

2.2 维修可达性设计

2.2.1 导轨导向装置设计

为保证有源子阵顺利插拔，在子阵骨架的上下侧边分别设置滚轮滑块。滑块与阵面横梁上固定安装的直线导轨配合，为子阵插拔的直线运动提供约束引导。此外，在子阵骨架后端上下位置设置了两个长导向销，进一步提高了有源子阵与阵面盲插对接的精度，确保了子阵重复拆装的可靠性和效率，如图3所示。

图3 导轨导向装置设计

2.2.2 盲插互联设计

该X频段天线阵面在纵深方向分为T/R组件和子阵综合模块两个层次，分别设置相应的对外连接器安装端面。在子阵第一层接口端面（最前端）上安装了80个盲配型BMA（Blind-Mate A）连接器端口，在导轨滑块及导向销的引导下，可以实现T/R组件与安装在天线阵面前端的单元组合及等相层的整体盲插互联。

在子阵第二层接口端面上依次设置了4个BMA端口、1个电源端口以及上下两个水接头，以实现有源子阵与射频综合层、电源汇流条以及阵面冷却管网的整体互联互通。有源子阵盲插接口分布如图4所示。

图4 有源子阵盲插接口分布

该设计层与层之间相互独立，通过连接器整体盲插对接实现互联，不仅消除了互相缠绕的导线，使天线阵面的结构造型更加简洁清晰，还极大地提高了子阵插拔维修过程中维修操作的效率，避免了众多电连接器误接错插的风险。

2.3 模块化维修设计

有源子阵在结构设计的过程中全面贯彻了模块化、通用性的设计思路。子阵内部集成的主要设备包括T/R组件、数字模块、延时驱动等，均设计为独立封装可拆卸模块，并作为现场可更换单元（Line Replaceable Unit, LRU）[9–10]直接参与维修替换。

阵面监测系统完成故障定位后，可直接用备件替换LRU完成维修作业，显著提高了现场基层维修的效率[10]。此外，有源子阵内部同类设备的设计组成相同，幅相特性完全一致，且可以对其进行识别码管理和修改，从而保证了同类设备之间具备完全的互换性。当有源子阵更换了备份模块后，通过终端控制重新装载更换模块的相关数据，一般无需调试即可使有源子阵恢复正常工作。

从有源子阵上更换下来的故障模块实行基地级维修。在基地级，通过专用测试设备检测后，在保障器件供应的前提下，维修时间小于24 h。T/R组件和延时驱动模块采用了气密封装方式，开盖时间较长，维修时间小于48 h。

3 维修性分析

缩短相控阵雷达的MTTR对改善用户体验、提升相控阵雷达的战备服役效能具有重要意义。天线阵面的MTTR数学模型定义如下：

以有源子阵内部集成的T/R组件、数字模块、延时驱动模块等作为天线阵面维修基本的LRU，故障定位后通过备件替换的方式完成子阵的维修工作。基于产品安装调试统计分析得到各模块的问题定位、拆卸、安装、检测的平均操作时间以及平均故障率数据，如表1所示。

表1 某X频段有源子阵现场可更换单元MTTR分配值

根据公式（1）计算得到该X频段有源子阵的平均修复时间约为20.6 min，满足该X频段天线阵面分系统的维修性设计指标，即MTTR≤23 min。

4 结束语

本文对某X频段天线有源子阵开展了结构模块化集成设计。通过在子阵结构上安装导轨导向装置，提高了有源子阵重复插拔的效率和精度。利用盲插互联设计，避免了电连接器误接错插操作，改善了子阵的维修性。最后，将有源子阵中的T/R组件、延时驱动模块以及数字模块等设计为具有互换性的维修LRU，通过基层级备件替换方式进行维修，显著缩短了该X频段天线有源子阵的MTTR，对提升有源相控阵天线装备整体的维修性和作战服役性能具有重要意义。