高功率发射机结构及其动力学分析

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·
ＲＢＥ２（剐性元）ｔ４２ ９４
３．３分析工况 静力学计算：由于缺少安装甲板的位移边界条件，
所以仅进行了自身重力作耀下的静力学分析，供检验
万方数据
３。４计算结果与分辑
应用ＭＳＣ软件进行分析，得到大量的计算数据和
图形，这里仅摘录部分典型数搬和图表。
３。４。ｌ摸态诗箕 表３模态计算
阶数
ｌ
～８１—
Baidu Nhomakorabea方数据
２００９。３１（１）
现代雷达
１５ ｋＷ末级功放Ｉ Ｂ
糕
Ｉ４
功
墩
１ ５ ｋＷ束
分
级功放！
配 器
５ ｋＷ末 级功放３
５ ｋＷ末 级功放４
为了最大限度内保持４只功放电源机柜微波输出功 率的幅相一致性、提高大功率合成效率，在机柜间大功率 合成时，微波传输与波导魔Ｔ合成器连接采用的是完全 相同的铝合金波导，而不采用一般常用的软波导。这对４ 只功放电源机柜结构整体刚性提出了很高的要求。
块，进入船舱后进行组装。为了最大限度内降低４只 功放电源机柜微波输出功率损耗、提高大功率合成效 率，减少占用的船舱空闯，同时方便发射机的使焉维 护，优化得到以下方案：４只功放电源机柜模块在甲板 平面内成“函”字型对称并柜安装；大功率合成器在槐 柜顶部进行功率合成，先分别对左右梳橇功率合成，然 后再前后机柜功率合成；水冷机柜则在其一侧。冷却 供圆水管路在永冷槐柜底都与功放电源机柜底部连 通，并充分利用船舱甲板与马脚安装面的空闯，安装予 甲板上。发射机与外部其他分系统以及发射机内部机 挺阈输入输出的电缆转接均在枕柜顼部，充分利用槐 柜顶部与大功率合成器间的间隙走线，从而提高了
表２振动激励工况
塑奎＜些
２～ｌＯ
壁鳌［至黧
２．５
垫速壅Ｚ翌：！：１
ｌＯ～１６
１．Ｏ
图４蠢限元模型
３．２单元和连接的定义
模型大量选用板壳单元ＣＱＵＡＤ４和ＣＴＲＩＡ３。同 时也对一些实体结梅，如导轨等选滔六蘑俸ＨＥＸＡ单 元。另外隔振器选用ＣＢＵＳＨ广义弹簧阻尼单元，连 接形式采用了选择不同自由度的ＲＢＥ２单元。连接共 有弱多缰，主要有３类：
３ 发射机结构动态分析
该雷达为舰载雷达，振动冲击环境恶劣，发射机４ 只功放电源机柜骨架间采用螺栓刚性连接，机柜骨架 底座（底框）和上框安装减振器，分别与船舱甲板马脚 和拉杆连接进行减震缓冲。同时，４只功放电源机柜 功率合成的刚性连接，对发射机整体结构动态性能提 出了严格要求。因此，应用ＭＳＣ软件对发射机进行结 构动态分析。 ３．１有限元模型的建立
（１）节点协调：对于框架结构主要是用节点协调 处理；
（２）６自由度蹒性连接：对于摹个税柜的大部分结 构的连接均采用６自由度的刚性连接，用ＲＢＥ２单元定 义；４个机柜之阅的连接也采用ＲＢＥ２单元剐性连接；
（３）局部自蠢度的剐性连接：对予一些插入连接 和导轨限位的连接，采取部分自由度刚性连接，同样采 用ＲＢＥ２单元，儇自由度根据连接形式的不同选择。
机柜骨架采用不锈钢板折弯焊接。电缆从机柜的 顶部接人，沿机柜骨架立柱向下走线到相应位置，与机 柜背部安装的浮动插座连接，各分机通过与机柜对应 的导向定位装置从机柜正面插入，快速完成定位安装， 同时完成电源信号和控制信号插头座盲插连接。冷却 水管从机柜的底部接入，供回水管分别沿机柜骨架左 右立柱空档向上走线，至对应骨架横挡，通过软管和快 速自封插头，直接接入需冷却的功放组件和开关电源， 在插入接通或拔出断开分机时，插拔十分方便，而且冷 却液不会泄漏。发射机的主要分机均为正面安装，实 现了开关电源和末级功放组件等主要分机在线、实时、 快速更换¨１。
一８２一 万方数据
图３发射机大功率合成器模型
２．３功放电源模块 功放电源机柜内将１６只功放组件进行功率合成的
（１６合１）合成器安装于机柜最上部，为解决机柜间功率 合成的安装连接误差，该合成器采用浮动安装。合成器 的下面安装垂直排列的功放组件，分配器则安装于功放 组件的下面；机柜最下部安装开关电源分机；开关电源 分机与分配器之间安装配电分机和控保分机等。
ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｅｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｉｓ ｈｉｇｈ．Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｖｅｓ ｔｏ ｂｅ ｇＵＣＣｔ日Ｓｇｆｕｌ．
图２ ４机柜组合发射机 ２．２大功率合成
功放电源机柜的微波功率输出在机柜顶部以同轴 线垂直输出，通过同轴波导变换，变为波导水平输出， 出Ｉ＝Ｉ方向可以在水平面内任意方向。这样左右机柜的 微波输出口直接与魔Ｔ的２个对称输入端口相联。前 后机柜分别左右合成后其输出Ｖｉ正好是前后对称，与 合成器魔Ｔ直接连接进行功率合成。从单只机柜微 波功率输出口到４只机柜间功率合成，全部采用直波 导连接传输，没有１只弯头。因此，微波传输路径完全 相同且最短最优，微波传输损耗最小，驻波最小，从而 提高了效率。
修订嗣期：２００８．１１－１６
由予发射机功率大，需要进行多级功率合成：先由 １６只末级功放组件一次合成１５ ｋＷ功放模块，再将４ 必１５ ｋＷ功放模块耀舞合成，最后合成５０ ｋＷ发射 机。考虑到舰载环境条件防盐雾和潮湿要求，采用液 体冷却，因此还包括水冷机柜单元。
２发射机设计
２．１发射机总体结构 发射机按照非封舱件考虑，发射枫的６个单元模
（２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ８ ｈｉＩ垂ｐｏｗｅｒ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｆｏｒ ｓｈｉｐｂｏｍｅ ｒａｄａｒ。Ｆｏｕｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｏｎｅ ｗａｔｏｒ－ｃｏｏｌｉｎｇ
摘要：一种由４只大功率功放电源机柜、１只水冷机柜、１只大功率合成器组成的舰载雷达高功率固恣发射机，其大功率功 敦嘏源橇挺土郝浮魂安装了凌敦缝终功率会戎器，微波功率苁缓郏骧凄，橇枢安装误差霹羧羚嫠。大功率功效毫源撬握 可根据功率和结构布局进行组合，通用性强。并鼠４只大功率功放电源机椴对称布局，相互间刚性连接，实现了微波大功 率的最优合成。文中针对舰载环境要求，建立了发射机结构分析的有限元模型，进行了幼力学分析。 关键词：霆态发射橇；功放缀件；功分器；会残器；秀美电源；有限元；摸态
２．１０＋００ｌ １．７５４００１
ｌ ｌ斛∞１
叠１．０５＋００１
毯 ７．００＋０００ ３．５０＋ＯＯＯ ０
频率／Ｈｚ
图６ ２ Ｉ－Ｉｚ一１０ Ｈｚｉ激励工况下机柜底座笔隔振器 相连点的位移曲线
ｌ发射机组成
固态发射机结构通常包括：前级功放组件、末级功 放组件、开关电源、监控分枫、前级双工器、双工控制、 分配器、合成器、辅助电源、配电转接单元等¨川。末 级功放组件和开关电源数壁较多，且在自然散热情况 下无法茏常工俸，必须采取强翩冷帮措施，因此围态发 射机还应有提供冷却介质的冷却单元等。
透馕僚老：汤长羚 收稿日期：２００８－０８－２８
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｍｏｄｕｌｅ；ｄｉｖｉｄｅｒ；ｃｏｍｂｉｎｅｒ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｆｍｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｅ
０引 言
某型舰载雷达，由于可靠性等多方面原因，使用方 提出在雷达其豫分橇秘整橇性麓基本不变酶前提下， 由全固态发射机替代原速调管发射机。因此，新设计 的集中放大式全固态发射机，功率将达到５０ ｋＷ。微 波功率晶体管放大器翡输编功率，糍对于速调篱酶辏 出功率要低得多，该集中放大式全固态发射机必须采 用多管并联、多级串联和高功率合成，才能达到高功率 要求【｜越】。由予发射梳懿外形、体积、重量等均受原发 射机的诸多限制，这给设计带来很大的难度，其结构设 计和大功率合成方式是该发射机研制的关键。
ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ
ａｎｄ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ａ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｔｈｅ ｈｉｉｓｈ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｂｕｉｌｔ．Ｆｏｕｒ ｈｉ。ｇｌｌ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｒｉｇｉｄ－ｊｏｉｎｔｅｄ ａｎｄ ｆｏｒｍ ａ
如：电源和插座西板的连接，德板和框架的连接，导轨 对于开关电源的限位等。
全部单元和节点数量见表ｌ。 衰ｌ书点和单元
Ｇｒｉｄ（节点）
３７７ ９７５
ＣＱＵＡＤ４（四边形单嚣）
１５６ ９５７
ＣＴＲＩＡ３（三焦形萃茏）
５６０
ＨＥＸＡ（六面体单元）
９９５ ７３
，ＣＢＵＳＨ（弹簧阻尼冗）
２０
Ｅｌｅｍｅｎｔ（撵性单元总数）
简化模型包括：４个桃柜和柜顼的波导合成器；槐 柜中叉分框架，电源，分配器，导轨等构件。
模型用。
自由模态计算：不考虑隔搬器的自由模态分析。
冲击计算（按ｑＢ给定的冲击工况院颧振更为严
酷，所以进行瞬态冲击分析）：峰值加速度３００ ｍ／ｓ２、
持续时闻４０ ｉｎｓ的半正弦波。
振动计算：分频率段响应计算觅表２。
三Ｈ型ｌ塑Ｈ竺兰
图１发射机原理框图 整个发射机的功率密度。
图２为由４只功放电源机柜组合成的该舰载雷达 发射机实物照片，由于拍片角度限制，仅看到２只并联 机柜和顶部的大功率合成器，实际还有２只机柜在背面。 发射机外形为长ｌ ８００ ｎＴｒｎ，宽９６０ ｍｉｌｌ，高ｌ ８５０ ｍｍ，重量
ｌ ８４０ ｋｓ。
根据实际结构合理简化模型是正确进行有限元分 析的基础。由于功放电源机柜结构相对比较复杂，对
·被／囊技术·
汤长岭，等：蹇功率发射枧结构及其动力学分橱
于内部电子元器件、电缆以及对整个结构的强度和刚 度影响不大的结构，均加以简化，保甓了该结构的等效 质量或雕度影响，不进行交际结构的一一建模。模型 主要Ｅｌｊ ＰｒｏＥ文件直接导人，并进行孵处理。一嫂对动 态分析影响较大的结构，则通过Ｐａｔｒａｎ直接建立模型。
ｍｏｄｕｌｅ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｏｎｅ ｈｉ曲ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｒ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｔｏｐ ｆｌｏｏｒ
ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｙｍｍ酬 ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ．ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｆｌｅｘｉｂｌｅ．Ｓｏ ｔｈｅ
２
３
枷一。母ｏ
４
痴一势鸵钙钙 ９ ｍ一觞努拍Ｎ
圈５一阶振型
３。４．２频率响应计算 ＢＥ一１６０登橡胶隔振器的刚度，按照安装豹方巍
见表４。图６、图７为机柜局部（点）频率响应位移图。 襄４隔振髅参数
项目
Ｘ方囊 Ｙ方向 Ｚ方向
底座隔振器
刚度
阻尼比
（Ｎ／ｎｕｎ）
（Ｃ／Ｃｃ）
２８０
５５０
０．０８
１４０
上郝镶位隔振嚣
第３ｌ裙第１期 ２００９颦１秀
现代臀达 Ｍｏｄｅｍ Ｒａｄａｒ
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．１
Ｊａｎ。２∞９
·收／发技术·
中图分类号：ＴＮ８３８
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—７８５９１２００９）０１—００８１—０４
高功率发射机结构及其动力学分析
汤长岭１，李伟２
（１．南京电子技术研究所， 南京２１００１３；２．南京水料科学研究院， 南京２１００２９）
刚度
阻尼比
（Ｎ／ｍｍ） （ｃ／Ｃｅ）
２８０
１４０
５５０
０．０８
３。４．３瞬态冲击计算
瞬态冲击下视糨局部（点）位移如图８所示。 ３，４．４计算结果分析
固有频率计算了前５０阶，由于整个结构局部黍性
构件眈较多，所以从第４阶开始往后局部振型比较多。 一８３～
现代雷达
一阶振型反应的是４只机柜并柜后的模态，其频率达 到３９ Ｈｚ，刚度是比较好的。
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｌｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ
ＴＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｌｉｎｇ’，ＬＩ Ｗｅｉ２ （１．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１３，Ｃｈｉｎａ）