一種彈載低剖面高集成雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洪肇斌，汪旭宏，劉 琳，周織建

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引 言

彈載雷達(dá)系統(tǒng)是導(dǎo)彈精確制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分［1-2］，安裝于導(dǎo)彈內(nèi)部，結(jié)構(gòu)尺寸和重量都受導(dǎo)彈平臺(tái)的嚴(yán)格限制，同時(shí)在飛行中需要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境考驗(yàn)［3-5］。為了降低雷達(dá)天線單元的剖面，采用盲配連接器替代傳統(tǒng)的線纜連接、磚式相控陣架構(gòu)發(fā)展為瓦片式相控陣架構(gòu)均為常見的做法［6-9］，實(shí)際應(yīng)用中需要嚴(yán)格控制精度才能保證連接可靠性。為了提升性能，彈載雷達(dá)系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用大功率電子器件和集成電路，熱耗集中；而導(dǎo)彈飛行中的氣動(dòng)加熱使得彈載雷達(dá)系統(tǒng)工作初始溫度一般較高，同時(shí)受平臺(tái)限制，無法采用風(fēng)冷和液冷散熱，使得彈載雷達(dá)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的散熱問題［10-12］。因此在彈載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要綜合考量輕小型化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度以及散熱的需求。本文針對(duì)彈載設(shè)計(jì)需求，提出了一種基于彈載環(huán)境的低剖面高集成雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

彈載雷達(dá)主要由天線單元、綜合射頻單元、綜合處理單元和電源單元4部分組成，天線單元作為系統(tǒng)的收發(fā)單元，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射與接收，與綜合射頻單元形成完整的收發(fā)系統(tǒng)；綜合射頻單元由收發(fā)通道和頻率源組成，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的識(shí)別與決策；綜合處理單元主要功能完成信號(hào)的采集與處理，進(jìn)而獲得理想回波信號(hào)，并同時(shí)抑制噪聲和雜波；電源單元?jiǎng)t是給整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行供電，主要包括陣面發(fā)射電源和數(shù)字系統(tǒng)供電電源。其中天線單元包括一體化片式可擴(kuò)充天線模塊（Tile Scalable Array Module,T-SAM）、驅(qū)放模塊和天線防護(hù)罩等組成。雷達(dá)系統(tǒng)在厚度Y方向進(jìn)行功能分區(qū)分為前端天線單元和后端處理單元。系統(tǒng)外形和系統(tǒng)組成分別如圖1（a）、（b）所示。

圖1 系統(tǒng)外形與系統(tǒng)組成圖

1.2 主框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)高集成、輕小型化、高可靠、良好的力、熱環(huán)境適應(yīng)性等是彈載產(chǎn)品的主要特點(diǎn)。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜必然會(huì)導(dǎo)致在體積受限的環(huán)境中，高集成和輕小型化顯得尤為重要，而戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的瞬息萬變也要求彈載產(chǎn)品在復(fù)雜熱力環(huán)境下必須具有高可靠性能和環(huán)境適應(yīng)性。本系統(tǒng)通過多型高密混頻盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各功能單元無纜連接，提高小空間的填充率；熱力耦合一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小空間高可靠的集成，具備良好的力學(xué)和溫度環(huán)境適應(yīng)性。

天線陣面采用片式T/R 組件表貼大面積接地焊接結(jié)構(gòu)，同時(shí)將天線輻射陣面、射頻饋電網(wǎng)絡(luò)、電源分配網(wǎng)絡(luò)和波控分配網(wǎng)絡(luò)通過多層板集成，形成一體化片式可擴(kuò)充天線模塊（T-SAM）。每個(gè)T-SAM 上集成了12 個(gè)片式T/R 組件、1 個(gè)射頻連接器和3 個(gè)低頻連接器，如圖2所示。通過T-SAM 結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，系統(tǒng)天線陣面的剖面高度得到極大的降低；同時(shí)天線陣面具備二維拓展功能，可以通過改變T-SAM的數(shù)量來變換天線陣面的口徑。

圖2 T-SAM模塊外形圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一個(gè)主框架，是系統(tǒng)的主承力結(jié)構(gòu)、主散熱結(jié)構(gòu)及定位基準(zhǔn)，承載各功能單元。主框架設(shè)計(jì)選用高強(qiáng)度的鋁合金6061-T6，增加壁厚并減重，在保證設(shè)備安裝的前提下，設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高整體結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)抗振能力，其外形如圖3（a）、（b）所示。

圖3 主框架結(jié)構(gòu)外形圖

1.3 高低頻盲配設(shè)計(jì)

由于雷達(dá)系統(tǒng)單元間距小、集成度高、連接通路多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中多處選擇了盲配實(shí)現(xiàn)各級(jí)模塊之間的射頻及低頻互聯(lián)，各功能單元間的盲配關(guān)系如圖4所示。系統(tǒng)中選用的射頻盲配連接器的允許配合間隙均為0.25 mm；低頻盲配連接器的允許配合間隙分為兩種形式，一種是帶浮動(dòng)量的，允許配合間隙為0.25 mm；另一種為不帶浮動(dòng)量的，允許配合間隙為0.1 mm。

圖4 雷達(dá)系統(tǒng)盲配示意圖

系統(tǒng)主要的射頻盲配連接如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要射頻盲配連接

系統(tǒng)主要的低頻盲配連接如表2所示。

表2 系統(tǒng)主要低頻盲配連接

通過以上分析可以看出，系統(tǒng)采用的高低頻混合盲配互連設(shè)計(jì)方案可以有效控制公差，保證互連的可靠性。

2 熱設(shè)計(jì)與仿真

2.1 熱設(shè)計(jì)

雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際工作中，受環(huán)境限制，僅能依靠結(jié)構(gòu)件熱容吸熱（輻射散熱可忽略），無法通過其他方式散熱。同時(shí)，天線陣面前端外部環(huán)境溫度最高達(dá)到350 ℃，因此在天線陣面前端設(shè)置隔熱透波的天線罩。雷達(dá)系統(tǒng)的散熱途徑如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)傳熱路徑示意圖

工作狀態(tài)下，雷達(dá)系統(tǒng)處于高溫背景，為實(shí)現(xiàn)隔熱，同時(shí)滿足重量和電性能要求，設(shè)計(jì)采用石英/聚酰亞胺復(fù)合材料+內(nèi)部納米氣凝膠制造天線罩。隔熱的同時(shí)需要增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部有效熱容量和優(yōu)化導(dǎo)熱路徑，利用器件殼體以及結(jié)構(gòu)件自身的熱容吸收發(fā)熱器件的熱量，從而降低發(fā)熱器件的溫升，使其在要求的溫度范圍內(nèi)工作。主要通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：

1）在允許的情況下盡量加大金屬結(jié)構(gòu)件的重量以增加整體熱容，如在滿足整機(jī)重量要求的前提下，適當(dāng)增加主體框架的重量和體積，增加剛強(qiáng)度的同時(shí)，可以抑制器件工作時(shí)溫升。

2）優(yōu)化天線單元內(nèi)部的導(dǎo)熱路徑，如減少散熱路徑和縮短導(dǎo)熱路徑，增加接觸面積、降低表面粗糙度以減小接觸熱阻等方式，盡量保證熱量更快地能被外圍結(jié)構(gòu)件和安裝板吸收。

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真條件

發(fā)射工作時(shí)間2 100 s，環(huán)境初始溫度不大于50 ℃，一次連續(xù)工作時(shí)間（測(cè)高5 s/成像10 s），間斷開機(jī)，從0 到2 100 s 平均間隔分布，累積工作時(shí)間90 s。

2.2.2 仿真結(jié)果

雷達(dá)系統(tǒng)初始工作溫度設(shè)定為50 ℃，連續(xù)工作2 100 s，圖6和圖7分別給出了2 100 s 時(shí)刻，天線陣面溫度分布和組件溫度分布情況?？梢钥闯?，在2 100 s 時(shí)刻，陣面最高溫度為158.5 ℃，此時(shí)天線罩外側(cè)溫度為350 ℃，因此，天線罩起到了顯著的隔熱作用。陣面組件最高溫度為107.7 ℃，最低溫度為101.0 ℃，均低于芯片的Ⅱ級(jí)降額溫度上限125 ℃；陣面組件最大溫差為6.7 ℃。滿足發(fā)熱功能器件的溫度梯度不大于15 ℃的要求。

圖6 天線陣面溫度分布

圖7 陣面組件溫度分布

電源單元內(nèi)部器件溫度分布如圖8所示，圖中上面4 個(gè)模塊殼溫耐受極限為105 ℃，下面3 個(gè)模塊耐受結(jié)溫為125 ℃。所有器件溫度均能滿足器件耐受極限。

圖8 電源單元內(nèi)部器件溫度分布

綜合處理單元內(nèi)部器件溫度如圖9所示，溫度均在指定工作溫度范圍（-40～85 ℃）內(nèi)，符合降額要求。

圖9 綜合處理單元內(nèi)部器件溫度分布

綜合射頻單元內(nèi)部熱耗較高的模塊主要是收發(fā)通道模塊和驅(qū)放模塊，兩者的溫度仿真結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，收發(fā)通道模塊溫度最高為78.5 ℃，滿足GaN芯片的使用要求。

圖10 綜合射頻單元溫度分布圖

3 力學(xué)分析

為驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，本文對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)在總均方根值18.5g的XYZ三個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)中各承力部件材料特性參數(shù)如表3所示。

表3 材料特性

3.1 隨機(jī)振動(dòng)分析

圖11～13 分別展示了雷達(dá)系統(tǒng)在X向、Y向和Z向隨機(jī)振動(dòng)條件下的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。

圖11 X向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D

圖12 Y向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D

圖13 Z向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D

通過分析可知3 個(gè)方向最大應(yīng)力值分別為106.05 MPa，81.36 MPa 和95.01 MPa，出現(xiàn)在主框架的安裝支耳處；X向、Y向和Z向最大應(yīng)變分別為0.020 mm，0.013 mm 和0.079 mm 位于前端天線陣面。主框架的材料為6061-T6 鋁合金，材料屈服強(qiáng)度245 MPa，安全裕度為0.73＞0.2，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。天線輻射面最大相對(duì)變形0.079 mm＜0.1 mm，滿足天線輻射面變形設(shè)計(jì)要求。

3.2 模態(tài)分析

雷達(dá)系統(tǒng)在安裝狀態(tài)下的模態(tài)如圖14所示。

圖14 模態(tài)分析結(jié)果

通過分析可知，雷達(dá)系統(tǒng)的前4階頻率分別為258.85 Hz，394.81 Hz，434.10 Hz，479.51 Hz，遠(yuǎn)高于一般彈載平臺(tái)（一般約為10～100 Hz），可有效避免系統(tǒng)諧振。

4 結(jié)束語

針對(duì)空間尺寸和重量嚴(yán)格受限的設(shè)計(jì)需求，本文提出了一種低剖面高集成的彈載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行盲配精度控制分析，熱和力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明，將前端天線融合形成一體化片式可擴(kuò)充天線模塊，后端各功能單元基于同一框架進(jìn)行優(yōu)化構(gòu)型、前后分腔、機(jī)電熱耦合一體化設(shè)計(jì)，模塊之間采用混頻盲配互連，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)剖面高度顯著降低，盲配連接可靠，熱、力環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計(jì)需求。本文的設(shè)計(jì)方法可推廣應(yīng)用于其他對(duì)輕小型化要求高的有源相控陣?yán)走_(dá)。