有源相控陣雷達天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

第1章 概述 1

1.1 雷達系統(tǒng) 1

1.1.1 雷達基本原理 1

1.1.2 相控陣雷達 2

1.1.3 相控陣雷達的類別 4

1.2 有源相控陣天線 5

1.2.1 有源相控陣天線的組成 6

1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點 9

1.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ) 13

1.3 典型有源相控陣天線簡介 14

1.3.1 大型有源相控陣天線 14

1.3.2 機載有源相控陣天線 17

1.3.3 機動雷達有源相控陣天線 19

1.3.4 艦載有源相控陣天線 22

1.3.5 衛(wèi)星SAR有源相控陣天線 23

1.3.6 雷達導引頭有源相控陣天線 25

第2章 總體設(shè)計 26

2.1 陣面電訊特性 26

2.1.1 主要電訊指標 26

2.1.2 天線陣列設(shè)計 27

2.2 基本結(jié)構(gòu)類型 34

2.2.1 外形 34

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 34

2.2.3 維修方式 37

2.3 地基遠程預警相控陣天線結(jié)構(gòu) 38

2.3.1 分塊設(shè)計 38

2.3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 41

2.4 機載火控有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 41

2.4.1 刀片式子陣結(jié)構(gòu) 42

2.4.2 一體式結(jié)構(gòu) 43

2.4.3 片式疊層結(jié)構(gòu) 44

2.5 機載預警有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 45

2.5.1 圓盤形式 45

2.5.2 平衡木形式 47

2.5.3 機身共形形式 48

2.6 車載有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 50

2.6.1 單車單塊天線陣面 52

2.6.2 單車多塊天線陣面 54

2.6.3 多車多塊天線陣面 55

2.7 艦載有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 56

2.7.1 低頻段天線陣面結(jié)構(gòu) 56

2.7.2 高頻段天線陣面結(jié)構(gòu) 57

2.8 星載有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 57

2.8.1 折疊陣面 58

2.8.2 柔性陣面 59

2.9 彈載有源相控陣天線結(jié)構(gòu) 62

第3章 有源子陣結(jié)構(gòu)設(shè)計 65

3.1 有源子陣 65

3.1.1 有源子陣的基本構(gòu)架 66

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及要點 67

3.2 有源子陣架構(gòu)設(shè)計 68

3.2.1 有源子陣的典型結(jié)構(gòu)形式 68

3.2.2 子陣規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式的選擇 71

3.3 子陣內(nèi)主要模塊 72

3.3.1 T/R組件 72

3.3.2 子陣內(nèi)綜合網(wǎng)絡(luò) 77

3.3.3 子陣驅(qū)動模塊 78

3.3.4 二次電源模塊 79

3.3.5 延遲器 80

3.4 子陣互連設(shè)計 81

3.4.1 連接器的選用 82

3.4.2 典型互連結(jié)構(gòu)設(shè)計 84

3.4.3 供液互連設(shè)計 92

3.4.4 多品種混合電連接設(shè)計 94

3.5 電磁屏蔽設(shè)計 94

3.6 子陣骨架設(shè)計 96

3.7 有源子陣的發(fā)展趨勢 96

3.7.1 微系統(tǒng)技術(shù) 97

3.7.2 有源子陣微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 99

3.7.3 有源子陣微系統(tǒng)熱設(shè)計 102

3.7.4 有源子陣微系統(tǒng)集成工藝 103

第4章 造型設(shè)計 106

4.1 天線陣面造型概念 106

4.1.1 天線陣面造型特點 107

4.1.2 天線陣面形象設(shè)計 109

4.2 造型基礎(chǔ) 111

4.2.1 形態(tài)構(gòu)成要素 111

4.2.2 造型基本原則 115

4.3 陣面造型設(shè)計實例 120

4.3.1 外部造型設(shè)計 121

4.3.2 內(nèi)部造型設(shè)計 128

第5章 冷卻設(shè)計 131

5.1 冷卻技術(shù)簡介 131

5.1.1 冷卻設(shè)計理論基礎(chǔ) 131

5.1.2 常見冷卻方式比較 133

5.1.3 溫度降額 134

5.2 常用冷卻方式 135

5.2.1 自然冷卻天線 136

5.2.2 開式風冷天線 138

5.2.3 閉式風冷天線 139

5.2.4 液冷型天線 140

5.3 高頻箱密封隔熱 143

5.3.1 隔熱設(shè)計 143

5.3.2 密封設(shè)計 146

5.4 T/R組件熱設(shè)計 150

5.4.1 熱擴展設(shè)計 150

5.4.2 低界面熱阻技術(shù) 155

5.4.3 冷板設(shè)計 157

5.5 相變冷卻技術(shù) 158

5.5.1 相變熱管熱控技術(shù) 158

5.5.2 噴霧冷卻技術(shù) 163

5.6 熱設(shè)計仿真技術(shù) 165

5.6.1 熱仿真基礎(chǔ) 165

5.6.2 仿真流程 166

第6章 陣面自動折疊與快速拼裝 168

6.1 陣面折疊 168

6.1.1 折疊機構(gòu)的理論基礎(chǔ) 169

6.1.2 折疊方式 172

6.1.3 驅(qū)動機構(gòu) 175

6.1.4 鎖緊機構(gòu) 181

6.1.5 線纜折疊 184

6.1.6 冷卻管路折疊 186

6.2 陣面拼裝 187

6.2.1 快速連接機構(gòu) 187

6.2.2 快速捕捉機構(gòu) 191

6.2.3 冷卻管路快速連接 192

6.2.4 快速電連接 193

6.2.5 組合式機電同步連接 194

6.3 誤差分析 196

6.3.1 折疊、拼裝誤差分析 196

6.3.2 折疊、拼裝誤差計算 199

第7章 力學仿真 202

7.1 有限元法 202

7.1.1 有限元的基本理論 202

7.1.2 常用有限元軟件介紹 203

7.2 仿真計算 205

7.2.1 結(jié)構(gòu)模型化要點 205

7.2.2 邊界條件模擬 211

7.2.3 載荷處理 212

7.2.4 動力學分析 213

7.2.5 計算結(jié)果以及診斷 215

7.3 有限元模型修正技術(shù) 217

7.3.1 基本修正理論及方法 218

7.3.2 模型修正實例 223

7.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 231

7.4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學模型 231

7.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本類型 232

7.4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法 232

7.4.4 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化實例 236

第8章 數(shù)字樣機技術(shù) 239

8.1 數(shù)字樣機技術(shù)簡介 239

8.1.1 數(shù)字樣機功能 239

8.1.2 數(shù)字樣機技術(shù)應用 242

8.2 數(shù)字樣機平臺 242

8.2.1 總體架構(gòu) 243

8.2.2 邏輯架構(gòu) 243

8.3 數(shù)字樣機建模技術(shù) 246

8.3.1 三維建模 246

8.3.2 三維布線 250

8.3.3 模型簡化 253

8.4 數(shù)字樣機應用 256

8.4.1 精度分配仿真 256

8.4.2 虛擬布局 260

8.4.3 虛擬裝配 264

8.4.4 虛擬維修 269

第9章 智能結(jié)構(gòu) 274

9.1 智能結(jié)構(gòu)技術(shù) 275

9.2 傳感技術(shù) 276

9.2.1 智能傳感器的種類與特性 276

9.2.2 傳感器布置優(yōu)化技術(shù) 279

9.2.3 天線陣面變形測量 282

9.2.4 傳感器與天線陣面集成技術(shù) 288

9.3 執(zhí)行技術(shù) 291

9.3.1 執(zhí)行元件的種類與特性 291

9.3.2 執(zhí)行機構(gòu)應變作動機理 293

9.3.3 執(zhí)行元件與陣面集成 294

9.3.4 執(zhí)行機構(gòu)的位置優(yōu)化 296

9.4 控制技術(shù) 297

9.4.1 模態(tài)阻尼控制 299

9.4.2 最優(yōu)控制 299

9.4.3 魯棒控制 299

9.4.4 智能控制 300

9.4.5 陣面控制集成 301

第10章 特種材料與工藝應用 307

10.1 特種材料 307

10.1.1 復合材料 307

10.1.2 涂層 319

10.2 特種工藝 323

10.2.1 焊接工藝 323

10.2.2 深孔加工 330

10.2.3 精密鑄造 330

10.2.4 真空壓力浸滲 331

10.2.5 噴射成型 332

10.2.6 3D打印 332

10.2.7 微細加工 335

10.3 3D封裝 339

10.3.1 新封裝技術(shù) 340

10.3.2 3D封裝關(guān)鍵技術(shù) 342

10.3.3 3D封裝技術(shù)的應用 343

參考文獻 346

有源相控陣雷達天線是復雜的電子裝備，是典型的機、電、熱等多學科交叉技術(shù)的結(jié)晶。本書立足于工程實踐，詳盡闡述了有源相控陣雷達天線結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計、造型設(shè)計、冷卻設(shè)計和折疊拼裝設(shè)計的流程與方法，同時敘述了有源相控陣天線的核心部件——有源子陣的設(shè)計，并介紹了力學仿真和數(shù)字樣機先進設(shè)計技術(shù)的應用。

二戰(zhàn)期間由于軍事上的迫切需要，雷達得以廣泛應用及發(fā)展，并隨著技術(shù)革新日臻完善。相控陣雷達作為一種多功能設(shè)備，天線陣列由多組天線單元組合而成，采用有源相控陣雷達天線的雷達稱為有源相控陣雷達（APAR）。 和無源相控陣雷達相比，有源相控陣雷達優(yōu)勢明顯，因此被作為現(xiàn)代相控陣雷達一個重要研究方向，被用于各種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)雷達，如制導、戰(zhàn)場炮位偵查等。隨著計算機技術(shù)、數(shù)模混合集成電路技術(shù)及微波移相技術(shù)的快速發(fā)展，有源相控陣技術(shù)具有多目標、遠距離、高可靠性和高適應性等優(yōu)勢，正由雷達向通信電子、定位導航等多領(lǐng)域發(fā)展。

隨著新型器件如功率微波器件、VHSIC、MMIC 的出現(xiàn)，每個天線輻射陣元用一個接收機和發(fā)射功放陣列，每個天線陣元可以是固態(tài) T/R 組件，使相控陣雷達天線變?yōu)橛性聪嗫仃囂炀€。有源相控陣雷達作為相控陣雷達的一個核心領(lǐng)域被廣泛使用。

有源相控陣雷達天線陣面的每個天線單元中均含有源電路，發(fā)射/接收組件（T/R 組件）是有源相控陣雷達的關(guān)鍵部件，很大程度上決定其性能優(yōu)劣。收發(fā)合一的 T/R 組件包括發(fā)射支路、接收支路及射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)及移相器。每個 T/R 組件既有發(fā)射高功率放大器（HPA）、濾波器，限幅器，又有低噪聲放大器（LNA）、衰減器及移相器、波束控制電路等。由此看見，利用二維相位掃描的有源相控陣雷達設(shè)備量和成本都相當可觀。盡管如此，最先研制成功并投入應用的相控陣雷達就是有源相控陣雷達，例如 20 世紀 60 年代末美國研制的的大型相控陣雷達 AN/FPS-85。該相控陣雷達作用距離數(shù)千公里，天線尺寸 26.9×26.9m²，發(fā) 射產(chǎn)生 1.4°×1.4°針狀波束，接收產(chǎn)生 0.8°×0.8°筆狀波束，被用于空間目標監(jiān)視、跟蹤及識別，可做導彈預警、測軌和編目衛(wèi)星。采用收發(fā)陣面分離的二維相位掃描相控陣平面天線，其發(fā)射天線陣中含有五千多個天線單元，發(fā)射機采用四極管等電真空器件，每個發(fā)射機峰值功率高達 6kW，平均功率約80W。采用有源相控陣天線模式，利用空間功率合成方式，實現(xiàn)發(fā)射機總輸出峰值功率 32MW、平均功率 400kW的要求。在各種戰(zhàn)術(shù)雷達中，用于衛(wèi)星測控和彈道導彈等超遠程探測戰(zhàn)略目標的相控陣雷達問世最早，而有源相控陣雷達的出現(xiàn)相對較晚。

有源相控陣雷達大部分是三坐標雷達，即方位（水平方向）機械掃描、仰角（垂直方向）電掃描的一維相位掃描雷達，以此獲取目標的距離、方向和高度信息。為了提高雷達性能，二維相位掃描的三坐標雷達采用了固態(tài)有源相控陣雷達天線。這類雷達在水平和垂直方向上均進行相位掃描，同時天線陣列還可進行機械轉(zhuǎn)動，這樣不但克服了平面相控陣雷達天線觀察空域有限（如限制在±60°范圍內(nèi)）的缺點，而且大幅提高了雷達數(shù)據(jù)率，改善了對多目標的跟蹤性能。當今國內(nèi)外研制的艦載雷達、機載雷達、彈道導彈防御雷達以及星載雷達均采用有源相控陣雷達天線。

有源相控陣天線的每一個天線單元通道上均有一個高功率放大器、低噪聲放大器或 T/R 組件。與無源相控陣天線相比，有源相控陣天線具有以下特點：

（1）由于天線陣元后面直接連接功率源，故雷達的性能不受饋源和移相器損耗的影響：T/R 組件中的 LNA 由接收機的噪聲系數(shù)所決定。

（2）降低饋線系統(tǒng)承受高功率的要求。降低相控陣天線中饋線網(wǎng)絡(luò)即信號功率相加網(wǎng)絡(luò)接收時的損耗。

（3）每個陣元通道上均有一個 T/R 組 件，重復性、可靠性、一致性好，即使有少量的 T/R 組件損壞，也不會明顯影響性能指標，而且很能方便地實現(xiàn)在線維修。

（4）易于實現(xiàn)共形相控陣天線。

（5）有利于采用 MMIC 和 HMIC，可提高天線的寬帶性能，實現(xiàn)頻譜共享的多功能天線陣列，為綜合化、標準化電子信息系統(tǒng)（包括雷達、通信和 ESM 等）的實現(xiàn)提供條件。

（6）有利于與微電子、光電子、光纖通信技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)高密度集成的光控相控陣天線及天線系統(tǒng)。雖然有源相控陣天線優(yōu)勢眾多，但在相控陣雷達使用中是否被采納，要結(jié)合實際需求，首先要著重分析雷達任務(wù)，其次應分析采用有源相控陣天線的代價，考慮技術(shù)風險、雷達設(shè)計周期及生產(chǎn)成本的影響，這樣才能做到最佳匹配。