大型相控阵天线模块化设计*

顾叶青，唐宝富，王 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型相控阵天线模块化设计*

顾叶青，唐宝富，王 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型相控阵天线设备量大、系统复杂，因而具有研制周期长、成本高、使用维护复杂等特点。传统的设计方法已难以满足阵面设计的要求，进而在阵面设计中发展并广泛采用了模块化设计思想。模块逐渐从结构性模块发展到功能性模块，目前已基本实现了大型相控阵天线的模块化设计。文中以2个大型相控阵天线阵面为例，详细介绍了模块化设计的巨大优势，并提出了相控阵天线模块化设计需要继续深入开展的工作。

大型相控阵天线；模块化设计；发展趋势

引 言

大型有源相控阵雷达是国家弹道导弹防御系统中地基雷达的关键装备，而有源相控阵天线无疑是有源相控阵雷达的核心。相控阵天线上布置着大量的电子设备，涉及到微波、控制、电源和冷却等多个分系统，是典型的多学科综合的复杂电子装备。大型相控阵雷达天线具有设备种类和数量多，结构庞大复杂等典型特点，进而导致其研制周期长、成本高、使用维护复杂[1]。随着相控阵技术的发展和用户需求的不断更新，对雷达天线的要求越来越高，过去传统的设计理念面对现代复杂产品的设计已经显得力不从心，天线设计需要寻找到合适的设计方法来确保产品研制的新需求。

近年来，随着精益设计、智能制造及大批量定制的兴起和发展，模块化设计的研究和应用已被广泛关注，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。模块化设计作为一种新的设计理念和方法，自20世纪70年代在美欧发达国家兴起以来，已渗透到设计的各领域。在国外军工领域，模块与模块化已形成理论分析、设计生产、实验标准及规范等一套完整体系，并为新形势下多品种、小批量、需不断改型列装的装备的研制生产提供了有效的方法[2-4]。对于大型有源相控阵雷达天线，模块化设计可有效提高产品设计效率，缩短产品设计周期，降低生产成本，并使设计经验能够传递和继承，以利于进一步提高设计和生产水平，提升产品的核心竞争力。

本文以大型相控阵天线阵面为应用目标，把模块化设计技术灵活运用到天线阵面设计中，以具体设计实例说明模块化技术的优越性以及在大型相控阵天线设计中的广阔应用前景。

1 模块化技术研究进展

雷达模块化在西方发达国家都有很长的发展历史，尤以美国最为突出。20世纪60年代初，美国空军提出了“低成本模块化”概念。20世纪70年代，海军发起了应用标准电子模块(SEM)技术指导设计舰载海面搜索雷达系列的项目，随后，美国多家雷达公司都按“低成本模块化雷达”概念研制了SEM验证型雷达。在此基础上，从20世纪70年代到80年代末，美国的西屋电气公司、休斯飞机、爱默生电子都为美军研制了一至三代模块化雷达，模块化程度不断提高。美国新一代的Pave Pillar“模块化综合航电计划”已在四代机F-22中实施应用[5]。

在相控阵天线方面，美国在对反导系统长达20多年的相继开发过程中，造就了地基雷达(GBR)天线的系列化和模块化。在GBR的十多个型号中，大多采用了规格化的天线阵模块，很多后续型号的雷达沿用和借鉴了前期产品T/R组件等硬件和软件技术成果。这对缩短研制周期，提高性能和节约成本都有积极的意义。在硬件的模块化继承中，天线阵面的T/R组件和T/R单元子阵最为引人注目。雷神公司在末端高空区域防御系统和国家导弹防御系统中的GBR中采用了同一种T/R组件、T/R单元子阵和天线阵模块，用搭积木的方式，根据性能需求，构建了多种性能的阵列孔径雷达，取得了较好的经济和军事效果。

在国内，模块化设计工作在20世纪90年代初才逐渐引起重视并逐渐被广泛采用。在军用雷达领域也进行了相关开发设计工作[6-7]，但整体水平与欧美发达国家相比，仍有较大的差距。

2 大型相控阵天线模块化设计

模块化设计改变了传统以部件、零件组成产品的设计方法，而是按照模块化的理念设计产品，产品由模块组成，模块是构成产品的基本单元。首先，采用系统的观念从系统顶层到底层将设备分解成不同层次的功能模块；同时需从系统的底层向顶层进行模块需求分析，对同类和功能/结构相似设备进行对比、归类，合理划分模块。然后，通过对同类和相近设备间的模块进行横向协调和综合分析，按各模块层次结构建立相应的模块体系。

大型有源相控阵天线阵面总体设计时，针对T/R单元阵列，采用自顶向下的系统方法对产品进行分级模块化设计，结合电讯功能需求与结构要求，对阵面采用迭代优化的方法将大规模天线划分为若干天线子阵模块。通常把大规模天线阵面先划分为多个子阵面，再把每个子阵面划分为若干个子阵模块，子阵模块由基本的T/R单元阵列组成，模块之间的互联遵循模块内部强耦合而模块之间弱耦合的原则，使模块化相控阵天线具有可扩展、可重组的功能。

大型相控阵雷达天线一般采用固定式结构，但少数雷达也有可搬移重新布署的需求。由于天线口径巨大，为便于加工、调试、运输、安装，天线阵面必须采用分级模块化设计。如何合理地进行模块划分是天线结构布局设计的一个重要方面。模块划分的基本思路通常是：从功能或者结构的角度将产品划分为若干基本单元，再采用适当的聚类方法将基本单元聚类为模块。大型相控阵雷达天线的模块划分通常有结构性分块和功能性分块2种方法。

1)结构性分块主要从加工、装配、运输的角度考虑，阵面的各组成部分各自分块，分块本身不具备完整功能。各组成部分独立包装运输，阵地现场安装、调试。

2)功能性分块不仅要从加工、装配、运输方便性的角度考虑，还需考虑各分块的功能。因此，功能性分块需将天线阵面的各组成部分统一分块，形成一个整体子阵面，各分块本身具备完整功能，便于在工厂装配与调试。子阵面就是一个运输单元，阵地拼装、调试工作量小，不仅可实现大型相控阵雷达天线快速拆装和重新布署，而且可组合成不同口径的天线，满足不同的功能需求。

3 天线模块化设计实例

3.1 某大型有源相控阵天线

某典型的大型有源相控阵天线(见图1)以4×4的16单元子阵为单个子阵模块，将一个子阵的阵列单元与T/R组件、功分网络、波控、电源等设备集成在一起，形成一个如图2所示的单个子阵模块。为了便于子阵模块的安装与调试，将子阵模块设计成整体框架结构形式，该子阵模块中的T/R组件(见图3)等设备均可进一步设计成模块结构，方便其在框架中插拔和维护。

图1 某大型相控阵天线

图2 子阵模块

图3 T/R组件

在此基础上，整个阵面采用模块化积木式结构设计方法。天线骨架是由工字钢焊成的框架方格结构，每个子阵模块嵌入到对应的框架格子中。通过模块化设计，天线单元和其他设备按功能分块，会在很多方面带来好处。首先，天线阵面是由若干个子阵构成，不同的子阵数可以很方便地组合出不同的天线口径，实现了天线阵面的模块组合化；其次，子阵模块具有独立的结构和性能，不仅方便了调试，而且简化了阵面布线设计；再次，子阵模块尺寸较小，为加工与运输、阵地现场的安装部署等工作提供了便利，大幅缩短了施工周期，提高了效率。

3.2 某远程预警雷达天线

某远程预警雷达天线阵面采用纵横向2维分块集成设计(见图4)，实现了大型天线阵面由单个较小子阵功能模块向大型功能模块集成设计的革新。该天线阵面由多个大型子阵面拼装而成，每个大型子阵面由天线单元、T/R组件、电源组件、综合网络及阵面冷却管网等组成(见图5)。子阵面骨架采用密闭箱体结构，为阵面设备提供防护，单个子阵面具有完整的结构和功能，同时也是一个独立的运输单元。不同数量的子阵面可拼装出不同口径的天线。同时子阵面可以工厂调试、现场拼装，大大缩短了雷达天线现场整架时间和维修时间。

图4 某远程预警相控阵天线

图5 天线子阵面

3.3 实例中模块化方法比较分析

模块化设计方法在上述2个大型相控阵天线中的应用较为典型，它们有着各自的特点：1)以单个子阵模块为基本模块单元对阵面进行模块化设计更加便于灵活组合出不同口径的天线阵面，单个子阵模块的调试和维护相对比较方便和灵活，但外场架设、调试工作量较大；2)以大型子阵面模块为基本模块单元的天线阵面集成度高，子阵面模块的调试和维护可在工厂提前进行，大大缩短了外场工作量，但以大型子阵面为基本模块组合出天线口径的灵活性相对较低。

分析可见，对天线进行模块化设计在大型相控阵天线的设计、安装、调试、维护等方面都具有巨大的优势。大型天线阵面按照子阵面功能对其进行分块设计，并按照多级模块化进行集成，可将大型相控阵天线研制的设计、加工、调试与架设过程变繁为简、变难为易，并可将设计和调试过程由串行变为并行，缩短产品研制周期。采用模块化技术设计天线阵面还便于在产品研制初期设计出模块化的试验阵，较早地释放产品研制风险。综上所述，采用模块化设计方法可实现天线阵面研制全流程的精益化。

4 结束语

模块化是现代雷达系统发展的重要方向，该设计方法作为一种高效的设计方法，已在大型相控阵天线设计中得到成功应用并展现出巨大优势。结合模块化设计技术在天线阵面上的应用现状，天线模块化设计的发展方向主要有以下2个方面：

1)制定总线标准，规范设计接口，逐步设计出标准化、系列化和通用化的天线子阵模块；

2)以各通用模块为基本单元构建不同需求的产品，逐步建立实用的雷达天线系统模块库，最终实现全模块化的相控阵天线产品。

[1] 唐宝富, 顾叶青, 王超. 智能结构在相控阵天线阵面中的应用研究[J]. 现代雷达, 2014, 36(11): 8-10.

[2] 路龙龙, 杨芳红. 模块化设计在雷达系统中的应用[J]. 电子元器件应用, 2012, 14(6): 49-52.

[3] 蔡燕华. 分析模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J]. 科技传播, 2014(4): 160-161.

[4] MEGURO A, HARADA S, WATANABE M. Key technologies for high-accuracy large mesh antenna reflectors[J]. Acta Astronautica, 2003, 53(11): 899-908.

[5] 沈天伟. “宝石柱(Pave Pillar)”计划及其所提出的航空电子系统结构[J]. 航空电子技术, 1995, 80(3): 8-20.

[6] 孟鹏. 模块化雷达天线座结构设计[J]. 机械设计与制造工程, 2015, 44(8): 62-64.

[7] 李青. 模块化雷达处理机的结构模块设计[J]. 电子机械工程, 2000, 86(4): 20-22.

顾叶青(1979-)，男，高级工程师，主要研究方向为有源相控阵阵面结构设计。

唐宝富(1967-)，男，研究员级高级工程师，主要研究方向为天线及微波结构。

王 超(1984-)，男，工程师，主要研究方向为有源相控阵阵面结构设计。

Modular Design for Large Phased Array Antenna

GU Ye-qing，TANG Bao-fu，WANG Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Due to large amount of equipment and complex system, large phased array antenna has the characteristics of long development period, high cost and complex operation and maintenance. Traditional design method has been difficult to meet the antenna design requirements, so modular design method is developed and widely used in the design of large phased array antenna. Modules created in the design gradually extend from structural module to functional module, and the modular design of large phased array antenna is basically realized at present. With two typical large phased array antennas as examples, great advantages of modular design are revealed comparing to traditional method, and some further in-depth studies needed for phased array antenna modular design are proposed.

large phased array antenna; modular design; development trend

2016-01-11

TN823+.27

A

1008-5300(2016)02-0001-03