任鳳玲，韋學(xué)科，王金偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

某高機動雷達，要求具有快速拆收，并進行車載運輸?shù)墓δ?，因此，需對陣面進行輕薄化設(shè)計，以減輕重量和減小體積。輕薄化、可擴展與低成本已成為現(xiàn)代有源相控陣天線的主要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)包含各類網(wǎng)絡(luò)及其支架、外殼、電連接器、傳輸電纜、結(jié)構(gòu)封裝、熱控等輔助部件，完成以上基本功能的結(jié)構(gòu)件體積比較大，模塊簡單組裝的設(shè)計方法不能滿足陣面布置、維修等要求。本陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計是以微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、高密度互聯(lián)、表面安裝技術(shù)、微波板層壓技術(shù)等新工藝為基礎(chǔ)，進行最大限度結(jié)構(gòu)集成，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝、熱傳導(dǎo)、微波傳輸、信號驅(qū)動傳輸、電源傳輸?shù)裙δ軆?yōu)化[1-2]。

1 綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)組成與設(shè)計原則

超薄陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)包含射頻網(wǎng)絡(luò)、電源網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)。

陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)的3套網(wǎng)絡(luò)既相互獨立又相互滲透，需要根據(jù)陣面布局考慮維修性、可靠性以及集成性。為充分利用空間，列方向的陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)放在天線骨架的橫梁里。行方向的陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)，為了便于結(jié)構(gòu)安裝及厚度控制，3套網(wǎng)絡(luò)均集成在行綜合層內(nèi)部，并實現(xiàn)多品種連接器的同步雙向盲插。行綜合層做成獨立安裝模塊，以減少總裝走線周期及工作量，并且保證美觀。

1.1 射頻網(wǎng)絡(luò)

射頻網(wǎng)絡(luò)又可分為本振網(wǎng)絡(luò)、時鐘網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

本振網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字收發(fā)單元(DTRU)提供收、發(fā)本振信號，本振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個頻點同時饋送。頻率源輸出與本振網(wǎng)絡(luò)間采用矩陣開關(guān)進行切換。

時鐘網(wǎng)絡(luò)為DTRU提供模擬時鐘信號，使系統(tǒng)同步工作。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在DTRU輸出端口提取或饋入監(jiān)測信號，通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)匯集至監(jiān)測發(fā)射/接收(T/R)組件，另外，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也為模擬和場景干擾信號提供分配路徑。

1.2 電源網(wǎng)絡(luò)

電源從陣面底部的2塊轉(zhuǎn)接板進入陣面內(nèi)部的列匯流條，由于電流過大，列向匯流條分別置于陣面左右兩邊。列向有4塊匯流條，每邊2塊，同一邊的2塊不是每塊都與轉(zhuǎn)接板相連，而是通過短母排互連后再與轉(zhuǎn)接板相連，故每塊承受的最大電流為半陣面的最大電流。

1.3 光纖網(wǎng)絡(luò)

光纖采用上行單模光纖傳輸，使用光放大加光功分構(gòu)架，下行多模光纖傳輸。

通過陣面的光功分器輸出至各DTRU，左右陣面各1個光功分/集線器。光功分輸出的光信號經(jīng)過陣面行綜合層分配到每個DTRU，組件光纖接口采用盲插結(jié)構(gòu)與綜合層連接。

2 綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)想

從陣面系統(tǒng)層面出發(fā)，對陣面互連方案進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)高集成綜合層的優(yōu)化；超薄綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用系統(tǒng)集成技術(shù)，實現(xiàn)模塊化、組合化，方便維修，提高電磁兼容性能[3-4]。

布置列方向的綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)放在天線骨架的橫梁里，可以隱蔽電纜和走線使整個陣面清爽、干凈。行方向的陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)安裝在陣面內(nèi)，難點主要集中在行綜合層，行綜合層的上部和T/R組件盲插，下部和監(jiān)測系統(tǒng)盲插，上下部雙盲插。行、列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)要穿過陣面橫梁骨架才能實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 行、列和行列互聯(lián)陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)

下面就射頻網(wǎng)絡(luò)、電源網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)的行、列和陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)行列互聯(lián)設(shè)計進行分別論述。

3 行綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 行綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)布局

為滿足超薄天線的要求，天線厚度逐步壓縮。為了充分利用陣面內(nèi)部高度空間，滿足安裝要求，必須把行陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)壓縮成獨立安裝模塊，命名為行綜合層。行綜合層板面尺寸大，采用盲插無引線設(shè)計，盲插接口多，制造精度要求高。因從左右梁供電，行綜合層分為左、右2個，見圖2。

圖2 行綜合層左右分布

3.2 行綜合層設(shè)計

行綜合層在陣面中擔負著各組件間信號一體化傳輸連接，連接形式的優(yōu)劣不但會對電性能有影響，而且對陣面的結(jié)構(gòu)形式、陣面的可維護性、可靠性都有很大的影響。

行綜合層包括保護層、本振和時鐘層、電源層、固定層、光纖走線層、監(jiān)測層。圖3是綜合層分解圖。

圖3 綜合層分解圖

3.2.1 行綜合層的主要技術(shù)難點

行綜合層把電源連接、低頻信號連接、射頻信號連接集成在一起，實現(xiàn)了與陣面T/R組件的無引線連接，層數(shù)多，在高溫環(huán)境條件下，層間絕緣要求高，綜合布線十分復(fù)雜。

本振和時鐘層采用了多層壓合工藝進行制造，層間圖形的相對位置精度要求高，層間圖形互連孔金屬化要求高，制造難度大。

電源層通過的電流大，有數(shù)百個焊點，接線柱尺寸大，熱容量大，焊接難度大，易引起冷焊等缺陷。

行綜合層高定位精度的安裝在陣面骨架上，以適應(yīng)與DTRU大跨度、多點、多品種電連接器的雙向盲插連接要求。行綜合層為單獨模塊，可整體從艙內(nèi)抽出進行維修[5]。

3.2.2 行綜合層運用的技術(shù)

綜合仿真技術(shù)：從陣面系統(tǒng)層面出發(fā)，對陣面互連方案進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)高集成綜合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化；分別從時域、頻域上對高集成綜合網(wǎng)絡(luò)進行仿真設(shè)計，優(yōu)化電路性能，提高電磁兼容性能。

電磁兼容分析：綜合網(wǎng)絡(luò)中包含微波電路、數(shù)字電路、電源電路等多種電路，這些電路自身、電路之間的耦合分析，以及綜合網(wǎng)絡(luò)對陣面電磁環(huán)境的影響分析等。

電路可加工性設(shè)計：綜合背板包含的功能復(fù)雜，電路層數(shù)多、金屬化孔形式種類多、加工精度要求高。陣面綜合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計重點就是在滿足電訊要求的前提下，簡化電路的加工工藝，提高成品率。

綜合網(wǎng)絡(luò)與外部組件的盲插互連技術(shù)：綜合網(wǎng)絡(luò)在陣面中擔負著各組件間信號一體化傳輸連接，連接形式的優(yōu)劣不但會對電性能有影響，而且對陣面的結(jié)構(gòu)形式、陣面的可維護性、可靠性都有很大的影響。為此，需要結(jié)合陣面的功能需求，選擇先進的連接方案，實現(xiàn)陣面的無引線盲插連接及雙向盲插設(shè)計。

3.2.3 行綜合層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

結(jié)構(gòu)設(shè)計是以微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、高密度互聯(lián)、表面安裝技術(shù)、微波板層壓技術(shù)等新工藝為基礎(chǔ)，并使傳輸網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)零件一體化，進行最大限度結(jié)構(gòu)集成。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝、熱傳導(dǎo)、微波傳輸、信號驅(qū)動傳輸、電源傳輸?shù)裙δ躘2]。

時鐘、本振層從上部固定在固定層，時鐘、本振網(wǎng)絡(luò)與上部DTRU組件進行盲插連接。電源層和光纖走線層從下部固定在固定層上。監(jiān)測層從最底部嵌入在光纖走線層，通過固定層伸出的高度柱嵌入在光纖層內(nèi)和固定層連接，和下部前艙單元盲插。固定層主要功能是固定印制板、承載定位和固定綜合層, 是綜合層結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的組成部分, 用于支撐整個綜合層。

光纖穿過行綜合層高頻和固定板的過孔后，進入光纖走線層預(yù)留的空間內(nèi)。預(yù)留空間在裝配光纖時是敞開的，多條等長的光纖接入已安裝的光纖盲插插座，并在預(yù)留空間內(nèi)進行盤纏。光纖理順后，鋪設(shè)不能被彎折，否則會影響光纜的性能，最后用監(jiān)測板把理順的光纖完全蓋住，保護光纖的安全。用監(jiān)測層把光纖蓋住，一舉多得。光纖走線層還有隔離電源層的作用，保護電源印制板不受破壞，同時需保留出電源層焊接后的焊點避讓空間，保護焊點安全，保證電路不短路。

綜合層固定到天線陣面上采用螺釘?shù)冗M行組裝，除固定層外，其他層全是非金屬材料，需要設(shè)計出控制高度尺寸的高度柱，以滿足高度方向?qū)γげ寰鹊囊蟆?/p>

由于組件的集成化程度越來越高，盲插連接器的高密度安裝不可避免。固定板上裝有多種射頻、電源、光纖連接器，插合時作用在固定板上的力較大，合理的精度控制及剛度是安裝固定板設(shè)計過程中的重中之重。所有連接器的安裝位置以銷釘為基準，以控制精度。在盲插插合過程中由于定位銷的導(dǎo)向與定位作用，一旦定位銷定位準確，固定板和組件上的配對連接器便會良好地連接在一起[5-6]，利于雙盲插的實現(xiàn)。

4 列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)包括列射頻網(wǎng)絡(luò)和電源網(wǎng)絡(luò)，2套網(wǎng)絡(luò)相對獨立，放在天線骨架的橫梁里，充分利用空間。

4.1 列射頻網(wǎng)絡(luò)

列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)包括多個獨立的本振和時鐘功分器。行綜合層通過多個獨立的分配器和矩陣開關(guān)按指定的信號向列陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)提供饋電信號。

列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)安裝在骨架橫梁內(nèi)，安裝精度和環(huán)境比較惡劣，電纜分布其間，選用傳統(tǒng)的殼體保護設(shè)計，不能用開放的射頻設(shè)計模式。

4.2 列電源網(wǎng)絡(luò)

陣面有4種電源供電，分別為發(fā)射供電、接收供電、控制供電及冷卻供電，每種電源均來自陣面轉(zhuǎn)臺下的一次電源，從左右兩邊進入天線陣面，通過陣面轉(zhuǎn)接板的通孔甩出陣面至一次電源的輸出端口。列電源網(wǎng)絡(luò)采用匯流條。列向匯流條分別置于陣面左右兩邊。列向有4塊匯流條，每邊2塊。陣面?zhèn)让嫔舷聟R流條通過短柔性母排直接互聯(lián)，如圖4所示。

匯流條作為大電流傳輸部件具有感抗低、抗干擾、高頻濾波效果好、可靠性高、節(jié)省空間、裝配簡潔快捷等優(yōu)點，因此，在軍用電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

匯流條由最初實現(xiàn)電氣連接功能，發(fā)展到承擔結(jié)構(gòu)支撐、抑制電磁干擾、增加系統(tǒng)可靠性和輔助設(shè)備散熱等多種功能，因此其設(shè)計需要結(jié)合電氣學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)和機械學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識。掌握影響匯流條性能的相關(guān)物理因素，是實現(xiàn)匯流條功能正確設(shè)計和性能優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵[7-8]。

4.2.1 列匯流條結(jié)構(gòu)設(shè)計

匯流條是一種多層層疊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電連接部件。采用匯流條式的結(jié)構(gòu)可以大幅減少線纜連接的數(shù)量，解決電子系統(tǒng)高密度布局的難題。

匯流條的主要結(jié)構(gòu)形式為金屬導(dǎo)體-絕緣體累加排列的層疊式結(jié)構(gòu)。匯流條導(dǎo)電基體通常選用導(dǎo)電率優(yōu)良的金屬，如純銅、黃銅等。絕緣層選用介電系數(shù)高、擊穿電壓高的材料，如環(huán)氧、聚酯等。絕緣噴塑高分子材料是比較理想?yún)R流條絕緣涂層[6]。

一個優(yōu)質(zhì)的匯流條應(yīng)當采用矩形截面較寬的導(dǎo)體。采用厚度較薄、介電系數(shù)較高的絕緣介質(zhì)。因機械強度、材料和其它因素的束縛，匯流條導(dǎo)體與介質(zhì)的厚度不能無限縮小，只能在一個適合的范圍內(nèi)，一般匯流條的導(dǎo)體寬度與絕緣介質(zhì)的厚度比值在10 以上。并且絕緣材料寬于導(dǎo)體，利于封膠絕緣[7]。

列向匯流條含發(fā)射供電、接收供電、控制供電，采用厚銅板制作。發(fā)射、接收和控制供電間隔一層接地銅板，以避免干擾，接地板通過短導(dǎo)線就近與陣面骨架相連，連接點位于相應(yīng)的行網(wǎng)絡(luò)層附近。圖5為匯流條連接端子示意圖。

圖5 匯流條連接端子示意圖

5 行、列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計

5.1 射頻行、列陣面綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

行綜合層分為左右2個，用功分器將每行的左右綜合層進行合成，時鐘、本振、監(jiān)測信號合成后通過電纜與列射頻網(wǎng)絡(luò)相連接，連接關(guān)系如圖6 所示。

圖6 行綜合層互連

陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過組合內(nèi)串聯(lián)、組合間并聯(lián)的方式實現(xiàn)，具有較好的相位一致性，同時電纜數(shù)量大大減小，提高了系統(tǒng)基本可靠性。

5.2 電源行、列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

陣面發(fā)射供電、接收供電、控制供電分配采用先列后行的分配方式。一次電源的輸出分配至陣面兩邊的匯流條后，由列匯流條向行網(wǎng)絡(luò)層中的電源層供電，經(jīng)電源層分配后傳輸至DTRU。

行、列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)要穿過陣面橫梁骨架。列與行電源層的發(fā)射電源采用柔性母排連接，接收與控制供電采用導(dǎo)線和壓接端子連接。見圖7。

圖7 行、列發(fā)射電源互聯(lián)示意圖

5.3 光纖行、列綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

光纖簡化了上行傳輸鏈路，去除了光纖傳輸板的光轉(zhuǎn)電、電轉(zhuǎn)光環(huán)節(jié)，并且上行采用功分結(jié)構(gòu)，大大降低了上行光鏈路時延一致性設(shè)計的難度。上行主光纜鏈路光纜直徑較小，便于在陣面兩側(cè)走線，并且可以使用加鎧光纜，抗壓抗拉性大大提升；陣面上下行光纜可獨立維修更換，可維護性得以提升。

光纖連接器安裝在行綜合層上部，圖8為光纖總口示意圖。各個方向預(yù)留足夠的操作安裝空間，保證光纜彎曲半徑能穿過過孔。行綜合層上部有支撐天線的骨架，安裝橫梁時一定要注意避讓光纖，避免碾壓。

圖8 光纖總口示意圖

6 結(jié)束語

本文結(jié)合陣面的功能需求，選擇先進的連接方案，實現(xiàn)內(nèi)陣面的無引線盲插連接，并實現(xiàn)行列信號互聯(lián)。高集成綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計過程中和電訊設(shè)計之間不斷地相互優(yōu)化，相互迭代，設(shè)計出最簡潔、性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計全部貫徹了集成化、模塊化、通用化的原則，并采用快速級連技術(shù)，整個陣面維修方便。當模塊更換備份件后，通過終端控制重新更換模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般不需進行重新調(diào)試，天線陣面就能正常工作。

本高集成綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計形式節(jié)約了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)空間，有利于雷達系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，可以縮短系統(tǒng)維修與設(shè)備更換的時間，滿足現(xiàn)代雷達系統(tǒng)互換性與保障性要求。