唐 敖，王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

典型低頻段機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計*

唐 敖，王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中研究了低頻段機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并以某典型機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)為例，具體介紹了收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)解決方法及相關(guān)的仿真分析。通過綜合應(yīng)用模塊化、輕小型化、電液一體化盲插、穿通液冷模塊等技術(shù)方法，成功解決了機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一系列技術(shù)難題。文中的設(shè)計思路和方法可供同類產(chǎn)品設(shè)計參考和借鑒。

雷達；收發(fā)系統(tǒng)；一體化盲插；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引 言

機載有源相控陣?yán)走_具有系統(tǒng)效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強、高可靠性等顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機械掃描雷達的特點，因此隨著雷達技術(shù)的進步，相控陣?yán)走_已成為機載雷達的主要發(fā)展方向[1]。

收發(fā)系統(tǒng)包括低頻段相控陣?yán)走_的全部T/R通道及其電源設(shè)備，是低頻段機載有源相控陣?yán)走_的核心。機載雷達對重量、空間、維修性等均有嚴(yán)格的限制，因此收發(fā)系統(tǒng)需要采用模塊化、輕小型化、電液一體化盲插等多種先進設(shè)計方法來滿足裝機要求；同時載機的機械及溫度環(huán)境惡劣，在輕小型化的同時，還需優(yōu)化結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計，并通過仿真驗證其環(huán)境適應(yīng)性。本文以某典型低頻段機載有源相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)為例，介紹了收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)解決方法及相關(guān)的仿真分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1.1 設(shè)計需求

為滿足裝機適應(yīng)性要求，需充分實現(xiàn)設(shè)備的輕小型化，以達到系統(tǒng)的體積、重量指標(biāo)；功率芯片結(jié)溫滿足二級降額要求；振動、沖擊等機械環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)安全裕度需大于1.5。

1.2 組成與布局

收發(fā)系統(tǒng)包括96個收發(fā)通道，以及相應(yīng)的電源設(shè)備。通過模塊化和輕小型化設(shè)計，將收發(fā)系統(tǒng)設(shè)備集成為6個16通道收發(fā)模塊、1個整流電源和4個收發(fā)電源；通過電液一體化技術(shù)將上述模塊集成盲插在一個綜合機架內(nèi)。收發(fā)系統(tǒng)外形如圖1所示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.3.1 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，用標(biāo)準(zhǔn)化原理把相同或相似的功能單元統(tǒng)一、歸并、簡化形成通用單元的一種機電一體化設(shè)計方法[2]。該收發(fā)系統(tǒng)功能復(fù)雜，設(shè)備量大，因此為滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、重量以及維修性等技術(shù)指標(biāo)的要求，必須采用模塊化的設(shè)計方法。通過將16通道收發(fā)組件、接口、波控等功能集成在一個模塊內(nèi)，簡化互聯(lián)，減少設(shè)備量；合理劃分電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將整流電源及收發(fā)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計成與收發(fā)模塊同高度、同深度、不同寬度的標(biāo)準(zhǔn)模塊，實現(xiàn)全系統(tǒng)在綜合機架上的集成安裝。

1.3.2 輕小型化設(shè)計

機載雷達的重量、體積均受到嚴(yán)格限制，因此必須實現(xiàn)輕小型化才能滿足裝機要求。

收發(fā)系統(tǒng)輕小型化主要采取了以下措施：1)通過模塊化設(shè)計，實現(xiàn)功能合并和多通道集成，減少設(shè)備量；2)使用高功率小型化機載電源，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的輕小型化；3)模塊、機架選用高強輕質(zhì)鋁合金材料，減輕結(jié)構(gòu)件重量；4)結(jié)合力學(xué)仿真，優(yōu)化模塊、機架結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步減輕結(jié)構(gòu)重量。

1.3.3 電液一體化盲插設(shè)計

收發(fā)模塊、整流電源、收發(fā)電源等可更換單元與機架之間采用電液一體化盲插，可提高收發(fā)系統(tǒng)的連接可靠性和實現(xiàn)快速維修。電氣、液冷盲插連接器一體化安裝，分層安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及高精度控制等方法，解決了多種、多組盲插連接器同時對接的尺寸匹配及精度控制問題，滿足電、液連接器一體化盲插的接觸可靠性要求，從而實現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的電液一體化盲插連接[3]。

1.3.4 維修性設(shè)計

通過模塊化設(shè)計減少外場可更換單元的種類；通過電液一體化盲插實現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)可更換單元的前向快速維修，設(shè)備可達性好。所有模塊重量不大于15 kg，滿足人機工程要求，便于維修。模塊與機架采用前面板松不脫鎖緊螺釘和后面板定位銷的連接方式，實現(xiàn)快鎖快卸，進一步縮短維修時間。

1.3.5 電磁兼容性設(shè)計

各模塊均采用鋁合金整體成型的機殼，蓋板與機殼接縫處采用導(dǎo)電屏蔽襯墊，并控制螺釘間距；模塊內(nèi)部不同通道之間通過腔體隔離，避免串?dāng)_；機架、模塊機殼、蓋板等均采用導(dǎo)電氧化，提高導(dǎo)電屏蔽性能；機架整體與飛機地設(shè)計專用接地線。

1.3.6 熱設(shè)計

收發(fā)系統(tǒng)熱耗占雷達系統(tǒng)熱耗的80%，整體熱耗大，載機為提高散熱效率，提供了強迫液冷資源。收發(fā)模塊及電源模塊集成度均很高，造成單個模塊熱耗大，達到1 kW以上；收發(fā)模塊組裝密度高，熱流密度較傳統(tǒng)集成電路要高得多[4]，達到80 W/cm2。因此，為進一步提高冷卻效能，收發(fā)系統(tǒng)各模塊設(shè)計為穿通液冷模塊。功率芯片直接安裝在模塊冷板上，同時優(yōu)化連接方式，減小接觸熱阻，從而降低功率芯片結(jié)溫，滿足降額設(shè)計的要求。

2 收發(fā)系統(tǒng)仿真分析

2.1 力學(xué)分析

2.1.1 有限元模型建立

綜合機架和收發(fā)單元、收發(fā)電源、整流電源的殼體均采用鋁合金6061(T651)，屈服強度≥276 MPa，根據(jù)載機安全性設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)安全裕度大于1.5。對收發(fā)系統(tǒng)模型采用專業(yè)前處理軟件ICEM CFD劃分網(wǎng)格，為準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)情況，綜合機架、收發(fā)單元、收發(fā)電源、整流電源等均采用實體單元，并采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對綜合機架與飛機連接位置，模塊前面板與綜合機架連接位置均采用固支約束，對模塊后面板與綜合機架連接的定位銷位置則釋放軸向平動與轉(zhuǎn)動自由度。有限元模型如圖2所示。

圖2 收發(fā)系統(tǒng)有限元模型

2.1.2 沖擊分析

根據(jù)該雷達的機械環(huán)境技術(shù)要求，收發(fā)系統(tǒng)承受沖擊的條件如下：波形為半正弦波；峰值加速度為15g；持續(xù)時間為(11±2)ms。

首先對收發(fā)系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學(xué)仿真。瞬態(tài)分析求解采用完全法，計算19.8 ms內(nèi)各載荷步的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以捕捉到?jīng)_擊響應(yīng)的拐點和峰值。

圖3給出了收發(fā)系統(tǒng)最大應(yīng)力節(jié)點的應(yīng)力時間歷程曲線，收發(fā)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在9 ms附近。

圖3 收發(fā)系統(tǒng)最大應(yīng)力節(jié)點的應(yīng)力時間歷程

分別提取收發(fā)系統(tǒng)3個方向的最大應(yīng)力值，以校驗各零部件在經(jīng)歷沖擊載荷時的安全性。收發(fā)系統(tǒng)在各個方向沖擊條件下的應(yīng)力如表1所示。

表1 收發(fā)系統(tǒng)沖擊條件下最大應(yīng)力

仿真結(jié)果表明，收發(fā)系統(tǒng)在Y向沖擊下，在綜合機架與飛機的連接螺栓孔處產(chǎn)生最大應(yīng)力70.8 MPa，安全系數(shù)3.9，滿足大于1.5的要求。該工況下的變形與應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 Y向沖擊條件下變形與應(yīng)力云圖

2.1.3 隨機振動分析

根據(jù)該雷達的機械環(huán)境技術(shù)要求，收發(fā)系統(tǒng)承受振動的條件參照GJB 150.16A—2009中螺旋槳飛機的振動條件。

隨機振動分析采用ANSYS中譜分析的PSD分析功能，隨機振動以概率理論為基礎(chǔ)，分析的輸入輸出都具有隨機概率特性[5]。對收發(fā)系統(tǒng)施加隨機振動載荷譜，選取結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為0.03，分別對3個方向進行隨機振動響應(yīng)分析，獲得最大應(yīng)力的1σ解。收發(fā)系統(tǒng)在3個方向振動條件下的最惡劣情況如表2所示。

表2 收發(fā)系統(tǒng)隨機振動條件下最大應(yīng)力

仿真結(jié)果表明，收發(fā)系統(tǒng)在Y向隨機振動下，在綜合機架與飛機的連接螺栓孔處產(chǎn)生最大應(yīng)力141 MPa，安全系數(shù)1.96，滿足大于1.5的要求。該工況下的變形與應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 Y向隨機振動條件下變形與應(yīng)力云圖

2.2 熱分析

收發(fā)系統(tǒng)中收發(fā)模塊熱耗及熱流密度較高，因此應(yīng)用專業(yè)熱力學(xué)仿真軟件Icepak對其進行分析驗證。功率器件二級降額結(jié)溫要求不大于110 ℃。單通道功率管平均熱耗90 W(1個收發(fā)模塊熱耗1 440 W)，熱流密度80 W/cm2。流體力學(xué)仿真分析表明收發(fā)模塊冷卻液流量為0.26 m3/h，入口溫度40 ℃。

依據(jù)收發(fā)模塊冷板上功率管及其他熱源分布，通過Icepak進行建模和仿真。由仿真結(jié)果圖6可知，功率管殼溫最高為82.4 ℃。

圖6 收發(fā)模塊冷板表面溫度分布

功率管由結(jié)殼熱阻產(chǎn)生的溫升ΔT結(jié)殼=θ×Q=0.15×90=13.5 ℃，θ為結(jié)殼熱阻，Q為功率管平均熱耗。因此功率管結(jié)溫T結(jié)=T+ΔT結(jié)殼=82.4+13.5=95.9 ℃，T為功率管殼溫。因此功率管結(jié)溫滿足不大于110 ℃的二級降額要求。

3 結(jié)束語

采用模塊化設(shè)計思想，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、輕質(zhì)材料應(yīng)用、電液一體化盲插等技術(shù)手段，是實現(xiàn)低頻段機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)體積、重量、維修性等裝機指標(biāo)的有效方法。全系統(tǒng)液冷、穿通液冷模塊、傳熱路徑優(yōu)化結(jié)合熱學(xué)仿真，可解決收發(fā)系統(tǒng)高熱耗、高熱流密度難題。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合力學(xué)仿真，可確保收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足惡劣機械環(huán)境要求。

本文的技術(shù)方案成功解決了典型低頻段機載相控陣?yán)走_收發(fā)系統(tǒng)面臨的空間、重量資源緊張，振動環(huán)境惡劣，維修性、熱設(shè)計要求高等技術(shù)難題，其設(shè)計思想對同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。

[1] 錢宣, 孫為民, 方紅梅. 機載有源相控陣?yán)走_天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代雷達, 2012, 34(9): 66-68.

[2] 路龍龍, 楊芳紅. 模塊化設(shè)計在雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子元器件應(yīng)用, 2012, 14(6): 49-52.

[3] 李玉峰. 電液一體化盲插技術(shù)及實現(xiàn)方法[C]//2014年電子機械與微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會議論文集, 2014: 43-45.

[4] 平麗浩. 雷達熱控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 現(xiàn)代雷達, 2009, 31(5): 1-6.

[5] 李如忠. 結(jié)構(gòu)隨機振動仿真分析[J]. 機械, 2007, 34(5): 21-23.

唐 敖(1980-)，男，高級工程師，主要從事機載雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Structure Design of Typical T/ R System for Low Frequency Band Airborne Phased Array Radar

TANG Ao，WANG Xian-zhou

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The structural design of T/R system for low frequency band airborne phased array radar is studied in this paper. The structural design scheme, key technologies solution and related simulation analysis of the T/R system are also presented in detail with a typical airborne phased array radar T/R system as example. A series of technique difficulties in the structural design of T/R system are successfully solved by incorporating technologies such as modular design, light-small design, electricity-liquid integrated blind-mating and run-through liquid cooling module. The basic idea and method in this paper can provide reference for similar products design.

radar; T/R system; integrated blind-mating; structural design

2016-08-09

TN958.92

A

1008-5300(2016)05-0047-03