有源相控陣?yán)走_(dá)

有源相控陣?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)設(shè)備量和成本都相當(dāng)可觀。盡管如此，最先研制成功并投入應(yīng)用的相控陣?yán)走_(dá)就是有源相控陣?yán)走_(dá)，例如 20 世紀(jì) 60 年代末美國研制的的大型相控陣?yán)走_(dá) AN/FPS-85。該相控陣?yán)走_(dá)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(biāo)監(jiān)視、跟蹤及識別，可做導(dǎo)彈預(yù)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(dá) 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(dá)中，用于衛(wèi)星測控和彈道導(dǎo)彈等超遠(yuǎn)程探測戰(zhàn)略目標(biāo)的相控陣?yán)走_(dá)問世最早，而有源相控陣?yán)走_(dá)的出現(xiàn)相對較晚。

有源相控陣?yán)走_(dá)大部分是三坐標(biāo)雷達(dá)，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(dá)，以此獲取目標(biāo)的距離、方向和高度信息。為了提高雷達(dá)性能，二維相位掃描的三坐標(biāo)雷達(dá)采用了固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)天線。這類雷達(dá)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?yán)走_(dá)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(dá)數(shù)據(jù)率，改善了對多目標(biāo)的跟蹤性能。當(dāng)今國內(nèi)外研制的艦載雷達(dá)、機載雷達(dá)、彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)以及星載雷達(dá)均采用有源相控陣?yán)走_(dá)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(dá)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(fù)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)化電子信息系統(tǒng)（包括雷達(dá)、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?yán)走_(dá)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(dá)任務(wù)，其次應(yīng)分析采用有源相控陣天線的代價，考慮技術(shù)風(fēng)險、雷達(dá)設(shè)計周期及生產(chǎn)成本的影響，這樣才能做到最佳匹配。

二戰(zhàn)期間由于軍事上的迫切需要，雷達(dá)得以廣泛應(yīng)用及發(fā)展，并隨著技術(shù)革新日臻完善。相控陣?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)天線的雷達(dá)稱為有源相控陣?yán)走_(dá)（APAR）。 和無源相控陣?yán)走_(dá)相比，有源相控陣?yán)走_(dá)優(yōu)勢明顯，因此被作為現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)一個重要研究方向，被用于各種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)，如制導(dǎo)、戰(zhàn)場炮位偵查等。隨著計算機技術(shù)、數(shù)?；旌霞呻娐芳夹g(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(biāo)、遠(yuǎn)距離、高可靠性和高適應(yīng)性等優(yōu)勢，正由雷達(dá)向通信電子、定位導(dǎo)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?yán)走_(dá)天線變?yōu)橛性聪嗫仃囂炀€。有源相控陣?yán)走_(dá)作為相控陣?yán)走_(dá)的一個核心領(lǐng)域被廣泛使用。

圖1列出了按行、列方式饋電的有源平面相控陣天線原理圖，它是將平面相控陣天線分為多個列饋的典型例子。

該雷達(dá)工作在S波段，是一個有源相控陣天線，其發(fā)射饋線包括一個行饋和多個列饋，每一列饋為一個功率分配網(wǎng)絡(luò)，其多個輸出段分別接入該列天線各 T/R 組件中功率放大器的輸入端。T/R 組件里接收電路的輸出信號傳送至接收饋線功率相加器的輸入端，經(jīng)功率合成后再經(jīng)下變頻器、中放、A/D 變換，變?yōu)槎M制信號，傳送至數(shù)字式的行饋波束形成網(wǎng)絡(luò)。采用這種方式的主要目的是便于在方位上用數(shù)字方式形成接收波束。

圖2列出了一種有源子天線陣組合饋電接收系統(tǒng)框圖。

整個有源相控天線陣分為m個子陣，每個子陣有n個天線單元通道，每個天線單元上接有一個T/R組件，T/R組件由低噪聲放大器、高功率放大器、移相器、T/R開關(guān)等功能電路組成。在圖中，m 個子陣相加網(wǎng)絡(luò)形成 m 個接收通道，每個子陣相加網(wǎng)絡(luò)的輸出端均接有子陣接收機（SAR）。 各子陣接收機的輸出經(jīng)多波束相加網(wǎng)絡(luò)處理后，可得到L個接收波束（B1，B2，···，BL），每個波束的輸出分別連接到相應(yīng)的波束通道信號處理器。

圖中可以看出，各子陣接收機的輸出為正交雙通道，則輸出為數(shù)字正交信號（Ii，Qi）保留了信號的幅度和相位信息，圖中所示的多波束相加網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是數(shù)字波束形成（DBF）。美國為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)研制的早期預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)“鋪路爪”AN/FPS-115， 發(fā)射機采用固態(tài)功率放大器件，作為第一部二維相位掃描有源相控陣?yán)走_(dá)，一般探測距離可達(dá)4800km， 對雷達(dá)截面為10m²的潛射彈道導(dǎo)彈探測距離可達(dá)5500km。 AN/FPS-115 采用密度加權(quán)方式，且是收發(fā)合一的天線陣面，因而有源天線單元總數(shù)約有 1800 個固態(tài) T/R 組件。

“鋪路爪”大型遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá) AN/FPS-115 采用空間功率合成模式，可獲得探測與跟蹤多目標(biāo)高功率的要求（其發(fā)射機總的輸出峰值功率 600kW，平均功率 150kW），這樣可以降低對于饋線系統(tǒng)承受的高功率、傳輸線損耗以及發(fā)射系統(tǒng)對初級電源的功率要求，從而增強了整個饋線系統(tǒng)的綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計程度。

圖 3給出了 AN/FPS-115 全固態(tài)大型有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射功率分配系統(tǒng)與子天線陣接收機系統(tǒng)的框圖，整個雷達(dá)天線陣分為五十六個子天線陣，每個子天線陣內(nèi)的功率分配網(wǎng)絡(luò)及所有 T/R 組件均相同，其中功率分配網(wǎng)絡(luò)為 1/32 功分器。

發(fā)射機激勵級、子天線陣驅(qū)動級和 T/R 組件中的 HPA 的輸出功率量級相同，約三百瓦?；诰C合化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計理念，可以極大程度簡化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計流程，利于批量生產(chǎn)和降低成本。從圖3中可以看出，子天線陣作為公用收發(fā)天線，其在 32 個天線單元構(gòu)成的子天線陣級分別實現(xiàn)接收波束。

有源相控陣?yán)走_(dá)天線是復(fù)雜的電子裝備，是典型的機、電、熱等多學(xué)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?yán)走_(dá)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(xué)仿真和數(shù)字樣機先進設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用。

第1章 概述 1

1.1 雷達(dá)系統(tǒng) 1

1.1.1 雷達(dá)基本原理 1

1.1.2 相控陣?yán)走_(dá) 2

1.1.3 相控陣?yán)走_(dá)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(dá)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(dá)導(dǎo)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(biāo) 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(yuǎn)程預(yù)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(yù)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(fēng)冷天線 138

5.2.3 閉式風(fēng)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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用 307

10.1 特種材料 307

10.1.1 復(fù)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(xì)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(yīng)用 343

參考文獻(xiàn) 346