机载雷达天线座线缆布置改进设计

汪磊磊，顾吉丰，乔山林，张为晴

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

机载雷达天线座线缆布置改进设计

汪磊磊，顾吉丰，乔山林，张为晴

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

机载雷达天线座线缆布置已成为天线座设计的重难点，尤其是低温下线缆阻力矩急剧增大等问题，亟需解决。文中通过分析机载雷达天线座布线设计常见方式，并就线缆阻力矩对电机性能的影响进行测试，总结出布线设计存在的主要问题。通过设计新型布线装置改进线缆扭曲，采用新型柔性材料改善低温下线缆变硬问题，对天线座线缆布局进行优化设计，较好地解决了线缆布置设计的常见问题。目前新型设计方法已在多型类似产品上成功运用，取得良好效果，为后续产品设计提供参考。

线缆阻力矩；线缆布置装置；天线座

引 言

机载雷达天线座技术经过多年的发展已经日趋成熟。随着载机发展及技术进步，对天线座系统的要求也愈加苛刻，载机系统的小型化要求天线座系统轻质轻量，复杂多样的环境要求天线座系统轻便灵活。在各种结构设计技术日趋成熟精细的情况下，结构件优化设计已近完善，作为系统内高度非线性和相对不可控的布线设计成为设计重难点。

机载雷达天线座作为提供天线结构多维运动并传递多路电讯信号(驱动、控制、BIT等)的机电一体化机构，在布线设计上具有如下特点[1]：

1)动静转换频繁。天线座系统传递多维运动，线缆从载机基础到活动天线上，需要跟随天线作多维旋转运动，运动使线缆产生扯动及摩擦，容易造成磨损。

2)空间有限，传递线缆复杂。机载天线座设计紧凑，同时需要传递多路线缆穿过天线座，在有限空间内实现各路线缆合理布局并跟随天线运动，设计难度大。

3)环境条件复杂。机载平台振动强度高，活动线缆受力环境恶劣，容易造成磨损。在极低温工况下，线缆材料变硬变脆，导致线缆阻力矩增加，而驱动电机受空间重量指标限制，输出力矩有限。

鉴于上述特点，布线设计已经成为机载雷达天线座结构设计的重难点。本文针对线缆布置设计的常见问题，提出改进设计方法，为同类型产品设计提供参考。

1 阻力矩测试试验

载机系统的小型化要求天线座系统实现轻质敏捷，结构及驱动均需要进行精准的安全系数设计。活动线缆阻力矩作为天线座各阻力矩中的相对不可控量，对其进行定量标定，对电机选型、结构设计等有重要意义。

1.1 试验工况

被测天线座重6.5 kg，可实现方位±107°扇扫和一定角度的俯仰运动。方位轴为中空结构，同轴安装有旋转关节，线缆在方位轴内腔旋绕布局。

本次试验主要针对方位扇扫运动瞬时最大阻力矩进行测试。分析可知，在稳定1g重力环境下，其阻力矩主要由方位转动副阻力矩(含方位支撑轴承阻力矩及旋转关节阻力矩)和线缆扭转的扭力矩组成。其中线缆包含方位电机、方位旋变、俯仰电机、俯仰旋变、BIT射频线缆等，这些线缆均从方位轴内腔布线。

测试分别在有线缆扰动和无线缆扰动的情况下进行，对应25 ℃、-40 ℃、-50 ℃各个温度状态时的方位电机启动力矩值。拟采用开环电压法间接测量力矩值，具体方法如下[2]：

用可调电压的电源为方位电机加电，调高电压至某临界值时，天线座方位开始转动，记录下此刻的电压值即可换算出电机的瞬间输出力矩。可以认为该力矩值即为方位电机所需克服的天线座方位扇扫运动瞬时最大阻力矩。

1.2 无线缆阻力矩试验

去除多余线缆，仅保留必须的方位电机、旋变线缆，释放多余线缆阻力矩，此时可认为转动副阻力矩为方位电机的主要负载。在此状态下，分别测试25℃、-40 ℃、-55 ℃ 3种温度时天线座方位阻力矩。根据试验结果得出无线缆时角度-阻力矩曲线，如图1所示。

图1 无线缆时角度-阻力矩曲线

从测试数据分析可知：

去除其他线缆干扰因素后，天线座方位转动副阻力矩值较低，且受角度变化影响不大，具有随机性。这是因为天线座轴承采用高精度深沟球轴承，安装有严格要求，并采用极低温润滑脂进行润滑，在外界载荷无明显变化的情况下，阻力矩较低且稳定。

随着温度降低，阻力矩值会有一定的增大。由于轴承本身已经有预紧，在温度降低材料收缩的情况下，轴承轴向预紧力提高，会造成阻力矩的增大。此外润滑脂也会受到低温影响，粘滞阻力变大。

1.3 有线缆阻力矩试验

保留各线缆完整状态，从方位轴内腔布线。在此状态下，分别测试25 ℃、-40 ℃、-55 ℃ 3种温度时天线座方位阻力矩。根据试验结果得出有线缆时角度-阻力矩曲线，如图2所示。

图2 有线缆时角度-阻力矩曲线

从测试数据分析可知：

同温度下，有线缆时的方位阻力矩相比无线缆时要大，而且受方位轴运动角度影响，距0°越远阻力矩值越大。当方位角度为0°时，线缆呈自然放松状态，对外不施加扭力。随着天线座转动，线缆愈加趋向扭曲，阻力矩变大。在低温状态下，这种情况更加明显。

随着温度降低，阻力矩值急剧增大。由于线缆外皮及保护层为普通橡胶制品，随着温度的降低，线缆变硬变脆，并在狭小空间内不规则扰动，造成阻力矩不断攀升。在-55 ℃条件下，线缆阻力矩已成为天线座主要负载，严重影响电机正常工作。

2 改进措施

天线座中常用的布置线缆，无论是射频线缆、信号线缆还是电源线缆，一般都是圆形截面。这种线缆弯曲力矩大(特别是低温下)，扭转后又极易损坏。以往的处理方法中，“甩辨子”的方式带来了附加的线缆弯曲力矩(低温时有时会成为天线座电机的沉重负担)，且外形不够美观。在天线座结构件内腔内布线时，天线扫描过程中线缆常呈弯、扭组合的态势，影响线缆工作可靠性和使用寿命。

此外机载用线缆规格要求高，通常需要在线缆外包裹一层金属网防波套，用以与外界环境电磁屏蔽，另外还需再套装一层橡胶材质的耐磨热缩套管，用以保护线缆不受磨损。由于增加了这些保护层，在极低温条件下，橡胶制品变硬变脆，导致了线缆阻力矩的急剧攀升。

针对以上2点原因，分别进行改进。

2.1 新型布线装置

设计一种新型缠绕式线缆布线装置，主要由内、外穿线环组成，外形如图3所示。各线缆自中空轴端面的内穿线环进线孔中穿入，在外穿线环上缠绕后再从外穿线环出线孔穿出。各线缆进入内穿线环时在相应位置绑扎，穿出外穿线环后在邻近的结构件上固定，这样就避免了扇扫运动时线缆在天线座内部空腔内不规则扭曲，线缆只是在外穿线环内变化缠绕直径。这种布线方式，线缆弯曲半径大，不会在小角度上反复折弯，线缆带来的附加力矩小且使用寿命长[3]。

图3 线缆布线装置结构示意

为避免线缆相互干扰，外穿线环用中隔板沿轴向分为两个腔，设置有独立的进线孔和出线孔。将通往天线的线缆和通往伺服器件的线缆分别布置在各自独立的空腔内，每个空腔内线缆的缠绕方向一致，不会相互干扰，线缆布线如图4所示。

图4 线缆布线示意

2.2 材料改进

由于线缆布线的运动特性，必然与布线装置存在一定摩擦，常用的铝钢等金属材料，对线缆磨损较大。经过试验对比，选用PEI(聚醚酰亚胺)作为布线装置使用材料。PEI具有良好的机械性能、耐高低温及耐磨性能，能够有效降低对线缆的磨损，并减少摩擦阻力。此外PEI 还有高强度、高柔韧等特性，能够为线缆提供良好的支撑，并抵抗高振动带来的应力及疲劳。

当前使用的热缩套管是常见的橡胶材料，低温性能很差，是造成低温下线缆变硬变脆的主要原因，但由于天线座环境条件复杂，线缆外部保护层必不可少。通过对各种新型保护材料的试用选择，改用新型航空用锦纶丝套管，能够较好地遏制线缆低温性能恶化。

2.3 改进后线缆阻力矩试验

在实施上述改进措施后，再分别测试25 ℃、-40 ℃、-55 ℃ 3种温度时天线座方位阻力矩。根据试验结果得出改进后有线缆时角度-阻力矩曲线，如图5所示。

图5 改进后有线缆时角度-阻力矩曲线

可以看出，改进后线缆阻力矩在低温下的表现已有很大的改善。

2.4 分析对比

对上述3种试验数据进行整合统计，在不同线缆状态、不同温度情况下，对各个角度时测得的阻力矩值取平均后进行对比，如表1所示。

表1 不同线缆状态、不同温度时线缆平均阻力矩 N·m

线缆状态25℃-40℃-55℃改进前有线缆0．2870．6381．025无线缆0．1150．1590．222改进后有线缆0．1560．2510．359

单独以-55 ℃温度状态为例，对改进前后3种线缆状态下天线座方位阻力矩进行对比，见图6。

图6 -55 ℃时3种线缆状态下角度-阻力矩曲线

从统计数据可以看出，实施改进措施后，有效地解决了低温状态下线缆阻力矩激增的问题，将阻力矩控制在一个合理范围内，对方位电机的输出力矩要求降低，实现了天线座的小型轻量化。此外，良好的布线状态也能保证线缆长期使用的可靠性。

3 结束语

机载雷达天线座要求设计轻质敏捷，随着结构设计技术日趋完善，相对非线性不可控的柔性线缆布线设计，成为天线座设计重难点。以往的处理方法给电机带来极大的线缆阻力矩，外形不够美观，且影响线缆工作可靠性和使用寿命。

通过设计新型的线缆布线装置，选用合理的材料，对天线座线缆布局进行优化设计，能够较好地解决这些问题。目前新型设计方法已在多型类似产品上成功运用，取得良好效果，为后续产品设计提供参考。

[1] 曹永新. 机载电子设备机柜布线工艺设计[J]. 现代电子技术, 2003(23): 25-27.

[2] 袁新江, 姜洋, 汪磊磊, 等. 小型机载雷达天线座电缆阻力矩测试分析[J]. 电子机械工程, 2012, 28(6): 30-33.

[3] 类有伦. 电缆扭转试验[J]. 电线电缆译丛, 1992, 8(6): 32-35.

汪磊磊(1984-)，男，工程师，主要研究方向为雷达伺服传动结构系统。

Cable Wiring Improvement Design for Airborne Radar Antenna Pedestal

WANG Lei-lei，GU Ji-feng，QIAO Shan-lin，ZHANG Wei-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Cable wiring design has become the key and difficult point of the design of airborne radar antenna pedestal. Especially, problems such as cable resistance torque increasing rapidly at low temperature require prompt solution. The main problems in the cable wiring design are summed up in this paper, through analyzing the usual approaches of cable wiring design of airborne radar antenna pedestal, and testing the influence of cable resistance torque on motor performance. These problems are solved well, through improving cable twist by designing new-style cable wiring device, improving cable stiffening at low temperature by using new flexible materials, optimizing the cable layout on antenna pedestal. The design method which has been successfully used on similar products, and achieved good results, provides a reference for following product design.

cable resistance torque; cable wiring device; antenna pedestal

2014-10-24

TN959.73；TN820.8+2

A

1008-5300(2015)02-0014-03