某型雷达数字阵列模块结构设计与分析

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(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

数字阵列雷达(DAR)是一种接收和发射都采用数字波速形成技术的全新相控阵雷达，与传统相控阵雷达相比，具有大动态范围，容易形成多波束，可制造性强、低副瓣等诸多优势，已经成为相控阵雷达的重要发展方向[1-2]。数字阵列模块(DAM)具有对每个收发通道的信号进行数字化处理功能，是数字阵列雷达的核心部件之一。它集成了射频收发、校正网络、开关滤波、电源、数字收发等功能电路，是一种高度集成的功能性模块。它的装机数量较多，在数字阵列雷达装机设备中占据相当大的比重，其可靠性对雷达性能的影响非常大[3-4]。

数字阵列模块的结构设计是其性能和质量的重要保证。数字阵列模块作为一种电子机械模块，它的体积小、功率大、元器件多、热流密度大，其结构设计需要考虑众多的因素，包括轻量化、环境适应性、可维修性、可制造性、散热等多个方面[5-6]，它们都将直接或间接地影响数字阵列模块的性能指标以及工作的稳定性和可靠性，最终影响数字阵列雷达的作战指标。

目前介绍数字阵列模块结构设计方面的文献较少。程伶俐从轻小型化、密封防护、电磁兼容、散热等角度介绍了某型米波雷达数字阵列模块的结构设计[7]。孙远涛等针对地面和高空环境下的散热问题，对某型雷达数字阵列模块进行了结构设计和热分析[8]。然而目前尚欠缺综合性介绍数字阵列模块结构设计的文献资料。在此，通过综合考虑轻量化设计、环境适应性设计、可维修性设计、可制造性设计、散热设计等多个方面，介绍了某型雷达数字阵列模块的结构设计过程。

1 数字阵列模块的组成架构和指标

该数字阵列模块为8通道接收设计模式，其内部集成了校正网络、开关滤波器、接收通道、一本振功分器、二本振功分器、数字收发预处理以及各种传输印制板。外部接口包括8通道射频连接器与天线连接，波控/光纤连接器用于传输波形控制参数，微波电源插座用于为数字阵列模块供电，校正接口对校正网络实现信号输入，编程入口实现数字阵列模块的调试。数字阵列模块的组成框架和接线关系，如图1所示。

图1 数字阵列模块组成框架和接线关系

该数字阵列模块技术指标中与结构相关的主要指标如表1所示。

表1 数字阵列模块结构设计指标

2 结构设计

为使数字阵列模块正常工作，并达到结构设计的各项指标，将从轻量化、环境适应性、可维修性、可制造性等多个方面对数字阵列模块的结构进行设计与优化。

2.1 轻量化设计

该型雷达共需装载18个数字阵列模块，主要从以下几个方面进行轻量化设计以减轻模块质量。

2.1.1 多级盲配设计

数字阵列模块内部集成功能电路较多，如果全部采用传统的射频电缆实现上下级之间的互连，必将使其体积增加，质量较高，无法满足设计指标中体积和质量的要求。盲配互联技术已经在高密度集成模块中广泛应用[9]。在数字阵列模块的结构布局中，采用如图2所示的双插盲配互联结构，从而有效减小了系统结构尺寸、质量及插损。

图2 SMP双插盲配互联

根据数字阵列模块的接线关系，共设计了5次盲配互联，包括射频连接器与校正网络之间、校正网络与开关滤波器之间、开关滤波器与接收通道之间、接收通道与一本振功分器之间、接收通道与二本振功分器之间，如图3所示。每组盲配互联组件一端为光孔，另一端将SMP拔出时具有分离力，以保证SMP在拨出时留在某一功能模块端。本模块插入端具有分离力，被插入端采用光孔。

图3 5次盲配互联结构

2.1.2 一体化设计

采用结构功能一体化的设计原则，可以减少零部件数量，有效降低数字阵列模块的总质量。数字阵列模块采用双层布局形式，双面中间的固定板即为功能模块的紧固板也是模块的冷板，内部开设液冷管道，不但节约了数字阵列雷达的内部空间，还降低了主体结构质量。

另外，将接收通道、一本振功分器、二本振功分器进行结构功能一体化设计。8个分离的接收通道整件从背面固定在冷板上，但是接收通道设计较紧密，背面螺钉难以有效固定住接收通道，通常需要上面增加压板，防止接收通道窜动。采用结构功能一体化设计的原则，一本振功分器和二本振功分器均固定在8个接收通道功能模块上，将8个接收通道装配成一个整件结构，一本振功分器和二本振功分器既作为电讯功能模块，又作为固定压板的作用，提高了接收通道抗冲击振动的能力，也减少了零部件数量，如图4所示。

图4 结构功能一体化设计

2.1.3 材料选择和合理薄壁设计

数字阵列模块结构设计时，材料的选择也至关重要，通常选择强度高且密度低的材料作为壳体和盖板的主要材料。铝合金的强度与密度比较大，非常适合作为数字阵列模块结构的主材。

另外，在满足结构件刚度、强度的前提下，尽量减少壁厚。在壁厚上需要打螺纹孔的地方，采用凸台结构，尽可能地减轻盒体质量。

2.2 环境适应性设计

环境适应性设计是雷达内部模块结构设计的重要内容。数字阵列模块是否可以正常工作，环境适应性起到关键作用。三防设计、电磁兼容设计是数字阵列模块环境适应性设计的主要内容。

2.2.1 三防设计

军用电子设备的防湿热、防霉菌、防盐雾腐蚀称之为三防。防护不当是数字阵列模块发生故障的重要原因之一，其结构件及内部的连接器、元器件、电路板等均应采取三防措施，某型雷达数字阵列模块主要采用的三防措施如下：

a. 所有结构件在设计时，结构形状简单、流畅和合理，且避免积水结构，如缝隙、小孔等；选用耐腐蚀性能良好的5A06铝合金作为结构件的主体材料，同一结构中选择同一种金属材料，防止电偶腐蚀；采用导电氧化措施，形成耐腐蚀层，并在调试完成后表面喷三防漆。

b. 盒体与盖板安装位置上设置密封圈，连接器选用密封防水型，插座尾部灌封聚氨酯密封胶保护，穿墙螺纹孔涂密封胶。

c. 所有连接器均使用不锈钢钝化外壳，插针、插孔采取镀金处理。

d. 所有印制板和电路板等均使用封装元器件，并涂三防涂料。

2.2.2 电磁兼容性设计

数字阵列模块将众多单元组件集中于一个较小的空间内，且需完成收、发、幅相调整控制等众多功能，大小信号之间、高低频信号之间、信号与电源之间极易产生相互干扰。同时，来自自然环境和其他模块的外部干扰也非常复杂。电磁兼容性已经成为数字阵列模块能否正常工作的重要指标。针对数字阵列模块电磁干扰的问题，通常采用整体导电连续，内部各通道之间、各电路之间隔离等措施。本数字阵列模块采用的电磁兼容性措施如下：

a.接收通道、开关滤波器、本振功分器等均单独做成气密组件，外部接口均为SMP盲配接口。组件内部不能做成一个整件的功能模块之间利用隔筋隔离，隔筋之间采用绝缘子穿墙互联，最大限度减少各功能模块之间相互干扰。

b.电源电缆、射频电缆等连接电缆均采用屏蔽电缆，输入和输出分开，避免微波信号之间的耦合串扰。

c.电磁信号可以通过壳体上的小孔向外辐射，因此壳体上与盖板配合面应精度较高，做成内嵌式盖板，选用导电橡胶密封圈，并根据导电橡胶密封圈的特点，结合模块电磁兼容的要求，计算出壳体与盖板紧固所需不锈钢螺钉的数量。

d.所有的连接器均选用导电材料制作，其与安装壳体连接处不涂覆，保证其接地。

e.所有印制板设计按照电路功能进行分区，尽量减少电路内部模块之间的干扰，大面积地设置通过螺钉与机壳连接。

2.3 维修性设计

数字阵列模块集成功能多，装机数量也较多，容易损坏，快速装拆维修成为衡量数字阵列模块结构设计的重要指标。数字阵列模块可设计做成外场可更换单元(LRU)，从而实现其快速装拆。某型雷达数字阵列模块，如图5所示。采用的可维修性设计主要包括以下几个方面：

a.数字阵列模块设计成插件式结构，面板安装松不脱螺钉固定且抗冲击，两侧设计导轨粗定位，后端装配定位销最终定位。

b.数字阵列模块的后端接口(水接头、电连接器等)采用盲配方式。

c.对外面板上设计可拆卸手柄或助插拔锁紧装置，用于装拆。

d.外部不同种类信号的连接器应在其规格上区别开来，设计防插错识别标记。

e.面板宽度宽于数字阵列模块后端厚度，从而相邻数字阵列模块在发生呼吸效应[10]时不会互相挤压摩擦，难以拔出。

图5 某型数字阵列模块维修性设计示意

2.4 可制造性设计

数字阵列模块需要制造的数量多，在结构设计时，应考虑其加工难度和加工周期，尽可能地避开一些难加工结构，降低加工成本和周期。在不需要较高公差要求的区域，适当降低尺寸公差和形位公差要求。

同时，在结构设计时，应考虑工厂设备空余情况。在此，数字阵列模块采用液冷方式散热，冷板内部可设计成蛇形水道和微水道2种方式，如图6所示。蛇形水道需要焊接长度较长，焊接周期较长，但是数控加工难度小。微水道的散热效果要好于蛇形水道[11]，且微水道整体焊接长度相对较短，但是数控加工难度相对较大。考虑到加工厂焊接设备有限，而数控加工设备相对空闲，因此采用微水道为数字阵列模块散热方式，以数控加工时间换取焊接时间，缩短加工周期。

图6 液冷水道

3 散热设计与分析

3.1 模块功耗与水道设计

数字阵列模块的主要功率热耗散模块为数字收发电路板和集中式电源，其中数字收发电路板28 W，集中式电源5.5 W，共热耗33.5 W。电讯要求其工作温度在-40～50 ℃，且所有器件表面温度不超过85 ℃。

数字阵列模块装机数量较多，要求体积尽量缩小，发热密度相对较大。在要求体积较小的情况下，采用自然冷却和风冷难以将发热器件表面温度控制在85 ℃以下，因此，采用间接液冷方式[5]对数字阵列模块进行散热。考虑到水道的可制造性以及散热效果，选用微水道为主要元器件进行散热，微水道位置靠近元器件主要发热区域，并采用导热衬垫保证冷板与元器件的接触，如图7所示。

图7 散热设计

3.2 仿真分析

根据表1中数字阵列模块的结构设计指标，在工作环境温度为50 ℃，供液流量为0.2 L/min，液冷机组供液温度为62 ℃的工况下，采用NX热仿真软件分析得到主要散热模块数字收发电路板的温度分布云图，如图8所示。由图8可知，发热器件的最高温度为82.45 ℃，满足元器件工作要求。

图8 数字收发电路板热仿真分析温度云图

4 结束语

数字阵列模块的结构设计为电讯件提供了重要的硬件支撑。本文介绍了某型雷达数字阵列模块的结构设计过程，该模块具有重量轻、环境适应性好等特点，完全满足某型雷达的设计指标，并通过雷达整机系统使用验证，目前已经批量投产，对后续其他高集成模块的结构设计具有较好的借鉴意义。