有源相控阵雷达天线结构设计内容简介

有源相控阵雷达天线是复杂的电子装备，是典型的机、电、热等多学科交叉技术的结晶。本书立足于工程实践，详尽阐述了有源相控阵雷达天线结构的总体设计、造型设计、冷却设计和折叠拼装设计的流程与方法，同时叙述了有源相控阵天线的核心部件——有源子阵的设计，并介绍了力学仿真和数字样机先进设计技术的应用。

第1章 概述 1

1.1 雷达系统 1

1.1.1 雷达基本原理 1

1.1.2 相控阵雷达 2

1.1.3 相控阵雷达的类别 4

1.2 有源相控阵天线 5

1.2.1 有源相控阵天线的组成 6

1.2.2 结构设计要点 9

1.2.3 结构设计相关专业基础 13

1.3 典型有源相控阵天线简介 14

1.3.1 大型有源相控阵天线 14

1.3.2 机载有源相控阵天线 17

1.3.3 机动雷达有源相控阵天线 19

1.3.4 舰载有源相控阵天线 22

1.3.5 卫星SAR有源相控阵天线 23

1.3.6 雷达导引头有源相控阵天线 25

第2章 总体设计 26

2.1 阵面电讯特性 26

2.1.1 主要电讯指标 26

2.1.2 天线阵列设计 27

2.2 基本结构类型 34

2.2.1 外形 34

2.2.2 内部结构 34

2.2.3 维修方式 37

2.3 地基远程预警相控阵天线结构 38

2.3.1 分块设计 38

2.3.2 内部结构 41

2.4 机载火控有源相控阵天线结构 41

2.4.1 刀片式子阵结构 42

2.4.2 一体式结构 43

2.4.3 片式叠层结构 44

2.5 机载预警有源相控阵天线结构 45

2.5.1 圆盘形式 45

2.5.2 平衡木形式 47

2.5.3 机身共形形式 48

2.6 车载有源相控阵天线结构 50

2.6.1 单车单块天线阵面 52

2.6.2 单车多块天线阵面 54

2.6.3 多车多块天线阵面 55

2.7 舰载有源相控阵天线结构 56

2.7.1 低频段天线阵面结构 56

2.7.2 高频段天线阵面结构 57

2.8 星载有源相控阵天线结构 57

2.8.1 折叠阵面 58

2.8.2 柔性阵面 59

2.9 弹载有源相控阵天线结构 62

第3章 有源子阵结构设计 65

3.1 有源子阵 65

3.1.1 有源子阵的基本构架 66

3.1.2 结构设计流程及要点 67

3.2 有源子阵架构设计 68

3.2.1 有源子阵的典型结构形式 68

3.2.2 子阵规模和结构形式的选择 71

3.3 子阵内主要模块 72

3.3.1 T/R组件 72

3.3.2 子阵内综合网络 77

3.3.3 子阵驱动模块 78

3.3.4 二次电源模块 79

3.3.5 延迟器 80

3.4 子阵互连设计 81

3.4.1 连接器的选用 82

3.4.2 典型互连结构设计 84

3.4.3 供液互连设计 92

3.4.4 多品种混合电连接设计 94

3.5 电磁屏蔽设计 94

3.6 子阵骨架设计 96

3.7 有源子阵的发展趋势 96

3.7.1 微系统技术 97

3.7.2 有源子阵微系统结构设计 99

3.7.3 有源子阵微系统热设计 102

3.7.4 有源子阵微系统集成工艺 103

第4章 造型设计 106

4.1 天线阵面造型概念 106

4.1.1 天线阵面造型特点 107

4.1.2 天线阵面形象设计 109

4.2 造型基础 111

4.2.1 形态构成要素 111

4.2.2 造型基本原则 115

4.3 阵面造型设计实例 120

4.3.1 外部造型设计 121

4.3.2 内部造型设计 128

第5章 冷却设计 131

5.1 冷却技术简介 131

5.1.1 冷却设计理论基础 131

5.1.2 常见冷却方式比较 133

5.1.3 温度降额 134

5.2 常用冷却方式 135

5.2.1 自然冷却天线 136

5.2.2 开式风冷天线 138

5.2.3 闭式风冷天线 139

5.2.4 液冷型天线 140

5.3 高频箱密封隔热 143

5.3.1 隔热设计 143

5.3.2 密封设计 146

5.4 T/R组件热设计 150

5.4.1 热扩展设计 150

5.4.2 低界面热阻技术 155

5.4.3 冷板设计 157

5.5 相变冷却技术 158

5.5.1 相变热管热控技术 158

5.5.2 喷雾冷却技术 163

5.6 热设计仿真技术 165

5.6.1 热仿真基础 165

5.6.2 仿真流程 166

第6章 阵面自动折叠与快速拼装 168

6.1 阵面折叠 168

6.1.1 折叠机构的理论基础 169

6.1.2 折叠方式 172

6.1.3 驱动机构 175

6.1.4 锁紧机构 181

6.1.5 线缆折叠 184

6.1.6 冷却管路折叠 186

6.2 阵面拼装 187

6.2.1 快速连接机构 187

6.2.2 快速捕捉机构 191

6.2.3 冷却管路快速连接 192

6.2.4 快速电连接 193

6.2.5 组合式机电同步连接 194

6.3 误差分析 196

6.3.1 折叠、拼装误差分析 196

6.3.2 折叠、拼装误差计算 199

第7章 力学仿真 202

7.1 有限元法 202

7.1.1 有限元的基本理论 202

7.1.2 常用有限元软件介绍 203

7.2 仿真计算 205

7.2.1 结构模型化要点 205

7.2.2 边界条件模拟 211

7.2.3 载荷处理 212

7.2.4 动力学分析 213

7.2.5 计算结果以及诊断 215

7.3 有限元模型修正技术 217

7.3.1 基本修正理论及方法 218

7.3.2 模型修正实例 223

7.4 结构优化设计 231

7.4.1 结构优化的数学模型 231

7.4.2 结构优化的基本类型 232

7.4.3 结构优化方法 232

7.4.4 结构尺寸优化实例 236

第8章 数字样机技术 239

8.1 数字样机技术简介 239

8.1.1 数字样机功能 239

8.1.2 数字样机技术应用 242

8.2 数字样机平台 242

8.2.1 总体架构 243

8.2.2 逻辑架构 243

8.3 数字样机建模技术 246

8.3.1 三维建模 246

8.3.2 三维布线 250

8.3.3 模型简化 253

8.4 数字样机应用 256

8.4.1 精度分配仿真 256

8.4.2 虚拟布局 260

8.4.3 虚拟装配 264

8.4.4 虚拟维修 269

第9章 智能结构 274

9.1 智能结构技术 275

9.2 传感技术 276

9.2.1 智能传感器的种类与特性 276

9.2.2 传感器布置优化技术 279

9.2.3 天线阵面变形测量 282

9.2.4 传感器与天线阵面集成技术 288

9.3 执行技术 291

9.3.1 执行元件的种类与特性 291

9.3.2 执行机构应变作动机理 293

9.3.3 执行元件与阵面集成 294

9.3.4 执行机构的位置优化 296

9.4 控制技术 297

9.4.1 模态阻尼控制 299

9.4.2 最优控制 299

9.4.3 鲁棒控制 299

9.4.4 智能控制 300

9.4.5 阵面控制集成 301

第10章 特种材料与工艺应用 307

10.1 特种材料 307

10.1.1 复合材料 307

10.1.2 涂层 319

10.2 特种工艺 323

10.2.1 焊接工艺 323

10.2.2 深孔加工 330

10.2.3 精密铸造 330

10.2.4 真空压力浸渗 331

10.2.5 喷射成型 332

10.2.6 3D打印 332

10.2.7 微细加工 335

10.3 3D封装 339

10.3.1 新封装技术 340

10.3.2 3D封装关键技术 342

10.3.3 3D封装技术的应用 343

参考文献 346

二战期间由于军事上的迫切需要，雷达得以广泛应用及发展，并随着技术革新日臻完善。相控阵雷达作为一种多功能设备，天线阵列由多组天线单元组合而成，采用有源相控阵雷达天线的雷达称为有源相控阵雷达（APAR）。 和无源相控阵雷达相比，有源相控阵雷达优势明显，因此被作为现代相控阵雷达一个重要研究方向，被用于各种战略、战术雷达，如制导、战场炮位侦查等。随着计算机技术、数模混合集成电路技术及微波移相技术的快速发展，有源相控阵技术具有多目标、远距离、高可靠性和高适应性等优势，正由雷达向通信电子、定位导航等多领域发展。

随着新型器件如功率微波器件、VHSIC、MMIC 的出现，每个天线辐射阵元用一个接收机和发射功放阵列，每个天线阵元可以是固态 T/R 组件，使相控阵雷达天线变为有源相控阵天线。有源相控阵雷达作为相控阵雷达的一个核心领域被广泛使用。

有源相控阵雷达天线阵面的每个天线单元中均含有源电路，发射/接收组件（T/R 组件）是有源相控阵雷达的关键部件，很大程度上决定其性能优劣。收发合一的 T/R 组件包括发射支路、接收支路及射频转换开关及移相器。每个 T/R 组件既有发射高功率放大器（HPA）、滤波器，限幅器，又有低噪声放大器（LNA）、衰减器及移相器、波束控制电路等。由此看见，利用二维相位扫描的有源相控阵雷达设备量和成本都相当可观。尽管如此，最先研制成功并投入应用的相控阵雷达就是有源相控阵雷达，例如 20 世纪 60 年代末美国研制的的大型相控阵雷达 AN/FPS-85。该相控阵雷达作用距离数千公里，天线尺寸 26.9×26.9m²，发 射产生 1.4°×1.4°针状波束，接收产生 0.8°×0.8°笔状波束，被用于空间目标监视、跟踪及识别，可做导弹预警、测轨和编目卫星。采用收发阵面分离的二维相位扫描相控阵平面天线，其发射天线阵中含有五千多个天线单元，发射机采用四极管等电真空器件，每个发射机峰值功率高达 6kW，平均功率约80W。采用有源相控阵天线模式，利用空间功率合成方式，实现发射机总输出峰值功率 32MW、平均功率 400kW的要求。在各种战术雷达中，用于卫星测控和弹道导弹等超远程探测战略目标的相控阵雷达问世最早，而有源相控阵雷达的出现相对较晚。

有源相控阵雷达大部分是三坐标雷达，即方位（水平方向）机械扫描、仰角（垂直方向）电扫描的一维相位扫描雷达，以此获取目标的距离、方向和高度信息。为了提高雷达性能，二维相位扫描的三坐标雷达采用了固态有源相控阵雷达天线。这类雷达在水平和垂直方向上均进行相位扫描，同时天线阵列还可进行机械转动，这样不但克服了平面相控阵雷达天线观察空域有限（如限制在±60°范围内）的缺点，而且大幅提高了雷达数据率，改善了对多目标的跟踪性能。当今国内外研制的舰载雷达、机载雷达、弹道导弹防御雷达以及星载雷达均采用有源相控阵雷达天线。

有源相控阵天线的每一个天线单元通道上均有一个高功率放大器、低噪声放大器或 T/R 组件。与无源相控阵天线相比，有源相控阵天线具有以下特点：

（1）由于天线阵元后面直接连接功率源，故雷达的性能不受馈源和移相器损耗的影响：T/R 组件中的 LNA 由接收机的噪声系数所决定。

（2）降低馈线系统承受高功率的要求。降低相控阵天线中馈线网络即信号功率相加网络接收时的损耗。

（3）每个阵元通道上均有一个 T/R 组 件，重复性、可靠性、一致性好，即使有少量的 T/R 组件损坏，也不会明显影响性能指标，而且很能方便地实现在线维修。

（4）易于实现共形相控阵天线。

（5）有利于采用 MMIC 和 HMIC，可提高天线的宽带性能，实现频谱共享的多功能天线阵列，为综合化、标准化电子信息系统（包括雷达、通信和 ESM 等）的实现提供条件。

（6）有利于与微电子、光电子、光纤通信技术结合，实现高密度集成的光控相控阵天线及天线系统。虽然有源相控阵天线优势众多，但在相控阵雷达使用中是否被采纳，要结合实际需求，首先要着重分析雷达任务，其次应分析采用有源相控阵天线的代价，考虑技术风险、雷达设计周期及生产成本的影响，这样才能做到最佳匹配。