數字陣列高機動雷達結構關鍵技術*

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(1.安徽四創電子股份有限公司， 安徽合肥 230088；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

數字陣列雷達具有資源調度靈活、抗干擾能力強、易于實現多功能智能化等優點，隨著技術成熟度的提高和器件成本的降低，逐漸成為當今地面雷達產品開發的主流。但是，由于數字陣列雷達有源天線內部數字收發設備高度集成、組件熱流密度大、光電液一體化互聯互通的架構大幅增加了雷達系統的復雜程度和設計難度，給雷達整機結構技術的實現提出了新的挑戰。

1 數字陣列高機動雷達系統基本架構

數字陣列雷達與常規相控陣雷達的主要不同點之一是引入了數字陣列模塊[1](DAM)，該模塊是數字陣列雷達的核心設備，是高度集成了微波電路器件、數字電路器件、光處理模塊、電源及冷卻液通道的多I/O數字化組件。由于DAM與雷達其他主要設備在物理上高度融合，其設計理念和技術實現與常規相控陣雷達有著明顯的不同。

本文針對某新型數字陣列高機動雷達的開發，提出了地面數字陣列高機動雷達系統的基本架構，如圖1所示，可劃分為數字陣列天線、機電液光傳輸機構、架撤機構、伺服傳動與控制、運輸載體、工作平臺、電子設備方艙、液冷源、電站等主要部分。

該體制雷達系統架構具有如下幾個特點：

1) 多種功能模塊高度集成

應用CBB思想[2-3]進行雷達系統的頂層結構設計，根據各組成部分建立CBB基本數據庫，可分別構建工作平臺、架撤機構、伺服控制、電子設備方艙、液冷源、電站等CBB模塊。根據不同雷達的要求，通過更換相應CBB模塊，快速實現雷達系統的可重構。

2) 有源天線的結構功能一體化

由于DAM與其他設備存在著高密集度的光、電、液互聯互通，傳統的分離式設計已不能滿足設計需求，需要采取多種融合設計的措施，實現結構功能一體化。

3) 架撤機構的創新靈巧化

本文以某型雷達為例(如圖2所示)，采用新型空間多連桿機構，通過多油缸協調運動實現雷達天線的展開折疊，具有動作時間短、展收壓縮比大、剛性好、安全性高、外形美觀等特點。

2 頂層結構的CBB構建

CBB指在產品開發及集成過程中，可以共用的功能模塊。根據實用需求建立CBB基本數據庫，對各組成部分進行系列化的頂層規劃，采集相應的共用數據，建立標準化、通用化的功能模塊。

本文基于數字陣列高機動雷達基本架構，根據整機的技術要求和天線結構形式，進行了頂層結構的CBB構建。這里以具有代表性的工作平臺與架撤機構為例簡要說明CBB的構建思路。

2.1 工作平臺的CBB構建

由工作平臺的功能特性[4]可知，其CBB模塊的構建取決于上裝設備的功能、重量、尺寸、運輸安全性、抗傾覆能力等要素。根據上裝可用空間、安裝接口、剛強度、最大尺寸重量等參數對工作平臺進行CBB構建，以滿足各種情況下雷達機動運輸、使用安全性等方面的要求。

2.2 架撤機構的CBB構建

由架撤機構的功能特性[5]可知，其CBB模塊的構建取決于架設高度、載荷、架設速度、展收壓縮比等要素。根據機構的剛強度、重量、尺寸、運輸性及液壓系統的功能等方面對架撤機構進行CBB構建，以滿足各種功能和體制的雷達架設需求。

3 有源天線的結構功能一體化

數字陣列雷達天線內部主要集成了大量的DAM、輻射單元及復雜的液冷流量分配管網等設備，如圖3所示。與常規有源天線相比，其設備更加密集，熱流密度更大以及設備間互聯關系更加復雜，是機電熱高度耦合的復雜系統。天線結構設計必須圍繞DAM等關鍵設備展開結構功能一體化設計，才能有效優化結構尺寸、重量等綜合性能，保證電氣及機械互聯的可靠性。

3.1 天線的結構功能融合設計

由于天線內部安裝了大量的有源功能部件和必要的液冷管網，如果所有設備孤立地進行設計勢必造成陣面尺寸、重量及安裝空間的失控。因此，只有采用融合設計的方法，對結構件的功能進行優化，從而實現結構件的多功能一體化。

常規數字陣列天線結構設計以天線骨架為基礎，前部是安裝大量輻射單元的反射板，后部是安裝DAM組件和液冷多級分配管網的插箱，兩者之間通過大量的射頻電纜互聯，天線尺寸較厚，維修性相對較差。而高度融合的天線結構主要體現在基于多功能反射板的模塊化子陣設計。多功能反射板是模塊化子陣的基礎，集成了各類射頻、液冷盲配連接器與液冷多級分配流道，前部安裝輻射單元與校正網絡，后部通過盲配直接與DAM的射頻通道、液冷通道互聯互通，實現結構與熱控的一體化設計，減少中間的電纜、水管的連接環節，不僅降低了系統損耗，還減小了天線厚度尺寸。

3.2 陣面環控的高精度流量分配

各DAM的溫度不均勻將導致電性能不穩定，必須對各組件的溫度進行高精度環控。通過液冷冷卻液的均勻分配，控制天線內的眾多DAM組件之間的溫差在3～5℃以內。液冷冷卻液進入陣面后，需經復雜的分配網絡，輸送到各個模塊化子陣天線。將陣面液冷流量分配管網一、二級分配水道集成在天線骨架中，管網結構材質選用高強度不銹鋼，作為天線骨架結構的一部分，管路中設置各類流量控制閥，控制冷卻液流量均勻分配至各DAM組件內的液冷流道，實現組件溫度的高精度控制，也有利于天線的輕量化設計。

圖4是一種地面數字陣列雷達天線的部分子陣結構示意圖，采取了上述相應結構功能一體化技術，不僅簡化了內部管路和線路連接，還實現了陣面的輕型化設計，使得天線結構更加緊湊，降低了雷達高機動性設計的難度。

4 架撤機構的創新靈巧設計

采用先進的設計理念和成熟技術，提高架撤設備的集成度與自動化程度，達到架撤更快、舉升更高以及運輸性更好的目的。

傳統的平面連桿架撤機構[5-6]受構件空間運動方式的限制，壓縮比與承載能力較小，已不能滿足新一代數字陣列高機動雷達的架設更高、承載更大、穩定性更強等方面的需求。因此，新型架撤機構設計不僅需大幅提升架設高度、承載、外形、運輸性等能力，還應注重CBB構建，實現通用性的要求。

4.1 基于空間連桿多缸協調驅動的架撤機構

某型高機動雷達架撤機構應用靈巧機構及CBB的設計思想，設計了一種基于兩級并聯機構串聯、多液壓油缸協調動作、多連桿折疊運動原理的新型空間連桿多缸協調驅動的天線折疊架撤機構，如圖5所示。該機構包括第一級并聯機構、輔助翻轉機構、第二級并聯機構、工作平臺以及多個角度檢測元件等組成。該機構通過高展收壓縮比空間折疊機構、復雜空間機構液壓系統設計、多油缸運動協調智能化伺服控制、光電液結構一體化融合設計等多項關鍵技術，成功解決了地面高機動雷達架撤機構的架設能力與運輸兼容性之間相互制約的矛盾。

4.2 多油缸協調動作的高可靠液壓系統

該機構采用液壓驅動，動力源采用雙電機雙泵組合，互為備份，控制元件選用高可靠電液比例閥、截止式換向閥等元器件，滿足系統工作的需求。架設時多組油缸分別驅動輔助翻轉機構和兩級并聯機構進行分步展開，通過設置在上、下動臂轉動關節的角度編碼器進行協調控制，各動作到位后液壓油缸內部機械自鎖，形成內部帶斜撐的空間多連桿塔式穩定結構。根據試用統計數據，該液壓系統已隨雷達整機(如圖6所示)連續工作10 920 h無故障。

5 結束語

數字陣列雷達由于具有傳統雷達不可比擬的優異綜合性能，在地面雷達技術發展中已成為主流。本文結合某新型數字陣列高機動雷達的成功研制，對數字陣列高機動雷達結構系統CBB構建、功能結構一體化、架撤機構靈巧化等關鍵技術作了一些探索和設計驗證工作，并取得了顯著的成效，不僅實現了雷達系統的單車集成，而且架撤過程僅需單人數分鐘內完成，雷達整機機動性指標達到了先進水平，研究成果具有較高的應用推廣價值。