一种弹载低剖面高集成雷达结构设计

洪肇斌，汪旭宏，刘 琳，周织建

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引 言

弹载雷达系统是导弹精确制导系统的重要组成部分［1-2］，安装于导弹内部，结构尺寸和重量都受导弹平台的严格限制，同时在飞行中需要承受强烈的振动环境考验［3-5］。为了降低雷达天线单元的剖面，采用盲配连接器替代传统的线缆连接、砖式相控阵架构发展为瓦片式相控阵架构均为常见的做法［6-9］，实际应用中需要严格控制精度才能保证连接可靠性。为了提升性能，弹载雷达系统中大规模应用大功率电子器件和集成电路，热耗集中；而导弹飞行中的气动加热使得弹载雷达系统工作初始温度一般较高，同时受平台限制，无法采用风冷和液冷散热，使得弹载雷达系统面临严峻的散热问题［10-12］。因此在弹载雷达系统结构设计过程中需要综合考量轻小型化、系统结构刚强度以及散热的需求。本文针对弹载设计需求，提出了一种基于弹载环境的低剖面高集成雷达结构设计。

1 结构设计方案

1.1 系统架构

弹载雷达主要由天线单元、综合射频单元、综合处理单元和电源单元4部分组成，天线单元作为系统的收发单元，负责系统的信号发射与接收，与综合射频单元形成完整的收发系统；综合射频单元由收发通道和频率源组成，主要负责信号的识别与决策；综合处理单元主要功能完成信号的采集与处理，进而获得理想回波信号，并同时抑制噪声和杂波；电源单元则是给整个雷达系统进行供电，主要包括阵面发射电源和数字系统供电电源。其中天线单元包括一体化片式可扩充天线模块（Tile Scalable Array Module,T-SAM）、驱放模块和天线防护罩等组成。雷达系统在厚度Y方向进行功能分区分为前端天线单元和后端处理单元。系统外形和系统组成分别如图1（a）、（b）所示。

图1 系统外形与系统组成图

1.2 主框架结构

系统高集成、轻小型化、高可靠、良好的力、热环境适应性等是弹载产品的主要特点。战场电磁环境的日益复杂必然会导致在体积受限的环境中，高集成和轻小型化显得尤为重要，而战场形势的瞬息万变也要求弹载产品在复杂热力环境下必须具有高可靠性能和环境适应性。本系统通过多型高密混频盲配互联结构实现各功能单元无缆连接，提高小空间的填充率；热力耦合一体化设计，实现小空间高可靠的集成，具备良好的力学和温度环境适应性。

天线阵面采用片式T/R 组件表贴大面积接地焊接结构，同时将天线辐射阵面、射频馈电网络、电源分配网络和波控分配网络通过多层板集成，形成一体化片式可扩充天线模块（T-SAM）。每个T-SAM 上集成了12 个片式T/R 组件、1 个射频连接器和3 个低频连接器，如图2所示。通过T-SAM 结构的运用，系统天线阵面的剖面高度得到极大的降低；同时天线阵面具备二维拓展功能，可以通过改变T-SAM的数量来变换天线阵面的口径。

图2 T-SAM模块外形图

系统设计采用一个主框架，是系统的主承力结构、主散热结构及定位基准，承载各功能单元。主框架设计选用高强度的铝合金6061-T6，增加壁厚并减重，在保证设备安装的前提下，设计加强筋提高结构稳定性，提高整体结构刚度增强抗振能力，其外形如图3（a）、（b）所示。

图3 主框架结构外形图

1.3 高低频盲配设计

由于雷达系统单元间距小、集成度高、连接通路多，在结构设计过程中多处选择了盲配实现各级模块之间的射频及低频互联，各功能单元间的盲配关系如图4所示。系统中选用的射频盲配连接器的允许配合间隙均为0.25 mm；低频盲配连接器的允许配合间隙分为两种形式，一种是带浮动量的，允许配合间隙为0.25 mm；另一种为不带浮动量的，允许配合间隙为0.1 mm。

图4 雷达系统盲配示意图

系统主要的射频盲配连接如表1所示。

表1 系统主要射频盲配连接

系统主要的低频盲配连接如表2所示。

表2 系统主要低频盲配连接

通过以上分析可以看出，系统采用的高低频混合盲配互连设计方案可以有效控制公差，保证互连的可靠性。

2 热设计与仿真

2.1 热设计

雷达系统在实际工作中，受环境限制，仅能依靠结构件热容吸热（辐射散热可忽略），无法通过其他方式散热。同时，天线阵面前端外部环境温度最高达到350 ℃，因此在天线阵面前端设置隔热透波的天线罩。雷达系统的散热途径如图5所示。

图5 系统传热路径示意图

工作状态下，雷达系统处于高温背景，为实现隔热，同时满足重量和电性能要求，设计采用石英/聚酰亚胺复合材料+内部纳米气凝胶制造天线罩。隔热的同时需要增强雷达系统内部有效热容量和优化导热路径，利用器件壳体以及结构件自身的热容吸收发热器件的热量，从而降低发热器件的温升，使其在要求的温度范围内工作。主要通过两个途径实现：

1）在允许的情况下尽量加大金属结构件的重量以增加整体热容，如在满足整机重量要求的前提下，适当增加主体框架的重量和体积，增加刚强度的同时，可以抑制器件工作时温升。

2）优化天线单元内部的导热路径，如减少散热路径和缩短导热路径，增加接触面积、降低表面粗糙度以减小接触热阻等方式，尽量保证热量更快地能被外围结构件和安装板吸收。

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真条件

发射工作时间2 100 s，环境初始温度不大于50 ℃，一次连续工作时间（测高5 s/成像10 s），间断开机，从0 到2 100 s 平均间隔分布，累积工作时间90 s。

2.2.2 仿真结果

雷达系统初始工作温度设定为50 ℃，连续工作2 100 s，图6和图7分别给出了2 100 s 时刻，天线阵面温度分布和组件温度分布情况。可以看出，在2 100 s 时刻，阵面最高温度为158.5 ℃，此时天线罩外侧温度为350 ℃，因此，天线罩起到了显著的隔热作用。阵面组件最高温度为107.7 ℃，最低温度为101.0 ℃，均低于芯片的Ⅱ级降额温度上限125 ℃；阵面组件最大温差为6.7 ℃。满足发热功能器件的温度梯度不大于15 ℃的要求。

图6 天线阵面温度分布

图7 阵面组件温度分布

电源单元内部器件温度分布如图8所示，图中上面4 个模块壳温耐受极限为105 ℃，下面3 个模块耐受结温为125 ℃。所有器件温度均能满足器件耐受极限。

图8 电源单元内部器件温度分布

综合处理单元内部器件温度如图9所示，温度均在指定工作温度范围（-40～85 ℃）内，符合降额要求。

图9 综合处理单元内部器件温度分布

综合射频单元内部热耗较高的模块主要是收发通道模块和驱放模块，两者的温度仿真结果如图10所示。从图10可以看出，收发通道模块温度最高为78.5 ℃，满足GaN芯片的使用要求。

图10 综合射频单元温度分布图

3 力学分析

为验证雷达系统的结构强度和刚度，本文对雷达系统在总均方根值18.5g的XYZ三个方向随机振动载荷作用下的力学性能进行仿真分析。系统中各承力部件材料特性参数如表3所示。

表3 材料特性

3.1 随机振动分析

图11～13 分别展示了雷达系统在X向、Y向和Z向随机振动条件下的应力云图和应变云图。

图11 X向随机振动时应力/应变云图

图12 Y向随机振动时应力/应变云图

图13 Z向随机振动时应力/应变云图

通过分析可知3 个方向最大应力值分别为106.05 MPa，81.36 MPa 和95.01 MPa，出现在主框架的安装支耳处；X向、Y向和Z向最大应变分别为0.020 mm，0.013 mm 和0.079 mm 位于前端天线阵面。主框架的材料为6061-T6 铝合金，材料屈服强度245 MPa，安全裕度为0.73＞0.2，强度满足设计要求。天线辐射面最大相对变形0.079 mm＜0.1 mm，满足天线辐射面变形设计要求。

3.2 模态分析

雷达系统在安装状态下的模态如图14所示。

图14 模态分析结果

通过分析可知，雷达系统的前4阶频率分别为258.85 Hz，394.81 Hz，434.10 Hz，479.51 Hz，远高于一般弹载平台（一般约为10～100 Hz），可有效避免系统谐振。

4 结束语

针对空间尺寸和重量严格受限的设计需求，本文提出了一种低剖面高集成的弹载雷达系统结构设计方法，并进行盲配精度控制分析，热和力学仿真分析。结果表明，将前端天线融合形成一体化片式可扩充天线模块，后端各功能单元基于同一框架进行优化构型、前后分腔、机电热耦合一体化设计，模块之间采用混频盲配互连，实现了系统剖面高度显著降低，盲配连接可靠，热、力环境适应性满足设计需求。本文的设计方法可推广应用于其他对轻小型化要求高的有源相控阵雷达。