模块化在某雷达天线结构设计中的应用*

杨听广

(中国电子科技集团公司第三十八研究所, 安徽 合肥 230088)

引 言

模块化设计就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。作为一种产品设计方法，它在一定范围内对不同功能或相同功能、不同性能或不同规格的产品进行分析，并在此基础上划分或组合设计出一系列功能模块。该模块通常被理解为一个组合子系统，或具有某种特定功能的分机，或具有典型特征的独立单元。模块具有独立性、互换性、通用性，可直接使用，可经过简单的局部修改形成系列模块，也可通过模块的组合构成不同的产品[1-3]。

模块化设计技术兴起于20世纪60年代，几十年来，随着科学技术水平的不断提高，模块化设计技术和思想获得了极大的发展，已广泛应用于电子工程、机械工程、桥梁工程等各行各业，创造了不胜枚举的优秀产品，如电子工程中IBM个人电脑模块化的产品设计[4-5]。雷达结构工程中的机箱、机柜等都是采用通用化、标准化、模块化设计的典范[6]，但有关相控阵雷达的核心部件天线阵面的模块化应用目前报道甚少。

国军标《机械产品模块化设计规范》中对模块化的定义和设计方法作了详细说明。本文以某相控阵雷达天线阵面结构设计为例，针对相控阵雷达设备量大、结构复杂的特点，介绍了将雷达天线阵面按结构层分解为大模块(侧板天线)和小模块(一体化天线模块)的模块化设计思路[7]，简化了天线阵面的总体设计，提高了产品设计效率和产品的可靠性。模块具有一定功能和电性能的设计使天线阵面布局更合理，风格统一，形成了标准化与多样化有机结合的模块化产品。

1 天线阵面总体模块化设计

相控阵雷达天线阵面是雷达的核心部分,其作用是实现相控阵天线的电性能。随着雷达天线增益和分辨率要求的提高，雷达天线辐射面口径、设备量及功耗越来越大。如某有源相控阵雷达天线的辐射面尺寸为11 600 mm × 1 720 mm，天线阵面内部安装有辐射天线、收发组件、延时组件、功分器、波控组件、电源组件、热管组件等设备单机(表1)，是整个雷达结构中最复杂的部分。

表1 某雷达天线结构组成

雷达天线模块化设计是根据总体技术要求和设计规范，采用模块化设计技术，从提高天线阵面刚度、强度，减轻天线阵面重量的角度展开的结构设计，往往都是根据总体技术要求和设计规范先做大模块构思和规划。文中的天线阵面结构设计方案考虑到卫星发射升空时装载平台的包络尺寸限制及天线展开时展开机构对雷达天线尺寸的限制，将全阵面分成4块侧板天线，每块侧板天线的外形尺寸为2 900 mm(方位) × 1 720 mm(距离)，即形成-X内侧天线、-X外侧天线、+X内侧天线、+X外侧天线共4个相同的侧板天线模块。卫星发射时，4块侧板天线通过压紧释放机构固定在载荷舱±X两侧，卫星升空在轨飞行时，4块侧板天线通过展开机构展开在载荷舱的+Z端面，形成一个完整的相控阵雷达天线。图1和图2是通过“展开机构”把4个侧板天线(-X外侧板天线、-X内侧板天线、+X内侧板天线、+X外侧板天线)组合在一起的某有源相控阵雷达天线方案简图。

图1 雷达天线收拢示意图

图2 雷达天线展开示意图

相控阵雷达天线阵面结构设计是一个复杂的系统工程，结构设计方案除考虑到卫星发射装载要求、展开机构设计的复杂性和可靠性外，还要考虑模块化设计的4个侧板天线模块。每个侧板天线模块(每块)都具有相同的功能和电性能，考虑到天线阵面加工、运输、架设、维修性等综合需求，模块形成的安装接口、内部单机所装数量完全相同。同时形成了侧板高频电缆模块、侧板低频电缆模块、展开机构模块等更专业的模块，从而提高了产品设计效率，缩短了产品研制周期。

2 大模块侧板天线结构设计

相控阵雷达天线阵面大模块(侧板天线)的构思和规划是根据雷达总体技术要求和设计规范划分的。结合相控阵雷达天线功能相同、结构相似的单机数量大，线缆连接比较多的结构设计特点，对天线阵面单机进行合并，划分为4块侧板天线，其结构组成见表2。很显然，雷达天线阵面结构设计得到了简化。

表2 侧板天线结构组成

为了使侧板天线更加紧凑，侧板天线内单机采用三明治夹层方式布局，即将一体化天线模块装配到天线框架正面，反面装电源组件、波控组件、功分器及高频电缆、低频电缆等，中间是天线框架，天线阵面Z向本体厚度小于100 mm。侧板天线吊装接口和工装接口保持一致，天线框架选用高模量的碳纤维复合材料设计，提高了侧板天线阵面的刚度和强度，有效减轻了天线框架的重量。优化各单机的接口，确保各单机的装配可靠。设计扩展设备接口，用于天线阵面组合，如某有源相控阵雷达天线就利用“展开机构”实现天线阵面的折叠和展开。

利用有限元分析工具Pro/E、Ansys等设计软件，在初步设计的基础上建立三维模型，对其进行静力学、动力学分析和热力学分析，求出各种工况下的变形、应力分布、热分布特性等，找出主要部件的危险位置。根据分析结果优化结构参数,再循环计算分析,最终使结构设计完全满足预先分配的重量指标和刚度指标，并验证模块化设计结果的合理性。图3是优化设计的侧板结构示意图。

图3 侧板天线结构示意图

模块化设计的4块侧板天线结构布局完全相同，结构刚度、强度满足设计要求，有效减小了雷达天线的质量，每块质量小于210 kg，是一个独立的相控阵雷达天线。模块装配容易，维修方便，具有通用性、系列化的特点，可以单独使用，也可根据不同用途对天线框架稍做改进，2块、3块甚至4块、5块组合使用，形成系列化产品。文中的雷达天线是由4块侧板天线利用展开机构组合而成的相控阵雷达天线。

3 子模块一体化天线模块结构设计

当天线阵面结构设计划分为4个大模块时，尽管天线阵面总体设计简化了，模块具有互换性和通用性，能够独立使用，但仍然需要进一步优化，以解决单机数量大、线缆连接比较多的问题。根据相控阵雷达天线单机的功能和电缆连接拓扑图，对表1中某相控阵雷达天线结构组成的前6项进行重新组合，形成如表3所示的一体化天线模块结构组成，共120个一体化天线模块。

表3 一体化天线模块结构组成

3.1 模块布局设计

对一体化天线模块内的单机收发组件进行双通道集成设计，并采用盲配技术与辐射天线连接，减少电缆连接，以减少Z向厚度；对激励功分器与定标功分器进行综合设计，以减少单机品种；对辐射天线结构进行优化，以减少重量并提高刚度。

3.2 模块外形尺寸选取

外形尺寸要结合电性能设计选取，同时要兼顾原材料特性和机械加工设备能力，还要综合考虑生产过程的中转、包装、后续表面处理等，一般在500 mm左右比较合适。本模块外形尺寸为484 mm × 320 mm × 42 mm。

3.3 模块接口优化

首先，结合天线阵面系统设计分块(上述-X内侧板天线、-X外侧板天线、+X内侧板天线、+X外侧板天线)，明确一体化天线模块和模块内单机的接口；其次，根据模块内单机布局及连接器的类型规划电缆的走线路径；然后从系统设计出发，设计一体化天线模块装配时形成的拼缝和接地接口；最后，重点关注收发组件的工作特性和全阵面的热设计要求，确定热管的安装接口。

3.4 模块的力学仿真和热仿真分析

确定了一体化天线模块的接口尺寸之后，根据雷达天线系统的总设计要求，对一体化天线模块进行结构力学仿真分析和热仿真分析，通过反复迭代、优化和三维模拟装配设计，形成完整的一体化天线模块，如图4所示。最后结合侧板天线内部其他单机的布局及雷达天线阵面的高频、低频电缆布线设计，再次对侧板天线、整星结构进行力学仿真分析、热仿真分析及迭代优化，完成一体化天线模块设计。

图4 一体化天线模块示意图

一体化天线模块包含了大量的有源功能部件，具备良好的散热能力，盲插连接减少了互联电缆，提高了可靠性和可维修性，是一个机、电、热一体化的通用模块。

4 结束语

有源相控阵雷达天线阵面结构设计融合了电讯、结构、材料以及热学等多领域知识经验。随着收发组件、数字阵面技术的不断发展，天线阵面结构设计将发生较大变化，其系统结构设计的重点主要集中在天线阵面结构的轻量化设计、天线阵面的热设计、天线阵面内部单机之间多层互联等方面。很显然，采用模块化设计技术是有效解决功能相同的单机数量大、线缆连接较多问题的实用方法。

文中模块化设计在某相控阵雷达天线结构中的工程应用，简单地说就是对雷达天线阵面内部功能单机的重新组合，形成120个一体化天线模块，再通过“天线框架”集成设计成4个相同的“侧板天线”模块，然后通过“展开及压紧释放机构”使“侧板天线”模块实现装星收拢和发射展开，所形成的一体化天线模块具有良好的可制造性、可装配性和可维修性。模块具有特定的功能，满足轻量化设计要求，符合通用化、模块化、标准化的发展要求，提高了产品设计效率，缩短了产品研制周期，降低了研制、生产成本，并使设计经验得以传递和继承，具有一定的发展空间和应用前景。