一种阵列天线自动温控系统的设计与实现

孟凡娟

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)



一种阵列天线自动温控系统的设计与实现

孟凡娟

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

摘要为满足阵列天线热稳定性要求，针对阵列天线系统结构特点，进行了基于PLC技术的温控系统自动控制设计与研究。基于阵列天线系统射频组件功放模块的散热总量和热量分布特点，确定了本自动温控系统的设计方案。对温控系统的工作流程进行了简要介绍，并测试与分析了冷却通道的关键参数，实现了阵列天线自动温控系统的PLC自动控制，提高了可靠性和自动化程度。实测结果也证明了这套温控系统的可行性，对无人值守、远程监控阵列天线温控系统设计具有一定的实用价值和借鉴意义。

关键词阵列天线；温控系统；射频组件；热设计；自动控制

Design and Implementation of an Automatic Temperature Control System for Array Antenna

MENG Fan-juan

(StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThis paper presents the research and design of a PLC-based automatic temperature control system aiming to meet the thermal stability requirement of a given array antenna,according to antenna’s structural characteristics.Design is based on the radiating distribution and total heat emission of the RF amplifier module in the antenna system.The paper briefly introduces process of the control system,tests and analyzes major parameters of the cooling channels.This control system successfully applies PLC automatic control technology into array antenna cooling system,and improves system reliability and automation.The feasibility of this temperature control system has been proved by a series of well-designed experiments.Such system has considerable practical and referential value in unmanned and remote array antenna temperature monitoring system.

Key wordsarray antenna;temperature control system;RF module;thermal design;automatic control

0引言

正常工作的电子设备对环境温度有一定要求，研究资料表明：具有大功率器件的电子系统，冷却不良以及电子元器件过热是引起电子元器件损坏和失效的主要原因[1]。

阵列天线是由多种电子器件组成的密集集合体，需要长时间无故障工作。它由许多辐射单元与射频组件相联接构成一个大阵面，当阵面上少量组件失效时，并不会给天线系统运行带来致命的后果，但当多个失效单元具有相关性时其影响会很严重[2]，在进行天线总体设计时必须避免这种状况发生。

国内在80年代就已经开始进行天线阵面温控问题的研究工作[3-4]。从研究结果来看，根据热流密度的大小，采取强迫气冷、强迫液冷和高效热管技术等，都可以保证射频组件发热元器件的正常工作。但对于无人值守的全天候运行系统，如何实时掌握、监控温控系统运行状况是非常必要的，需要做进一步探讨与研究。

PLC控制技术是在工矿企业被广泛应用的成熟技术，是以计算机技术为基础的专为工业环境设计的数字运算控制装置，具有功能齐全、使用方便灵活、可靠性高、搞干扰能力强以及易于维护等优点。已成功应用在试验箱温度控制、水电厂控制系统等多个领域[5-6]。该技术在阵列天线上的应用还鲜有报道。

本文采用PLC控制技术，结合风机风速可调特性对阵列天线温控系统进行了热设计，实现了冷空气按需分配。使天线阵面在获得良好热稳定性和均温性的同时，还实现了实时监控、数据查询、故障报警和通讯等多种功能。

1设计方案

1.1自动温控系统

有源阵列天线射频组件阵面流程如图1所示，外形尺寸为2 010 mm×1 920 mm×385 mm，由4个独立区域拼装，每个独立区域有5×15个射频组件按顺序排列，间距为120 mm，单套组件最大发热量为35 W。工作时环境温度由环控系统保证为22 ℃±2 ℃，并且环控系统管道进出风口配合温控系统设计，工作时无人值守。系统散热要求组件壁面温度<45 ℃，任何射频组件间的不均衡温差不超过10 ℃，具备自动监控、报警和远程通信等功能。

图1　有源阵列天线射频组件阵面流程

从工程实际出发，经发热密度计算[7-8]，确定温控系统的设计方案为强迫空气自动温控系统。

如前所述，系统在结构上对阵面分成了4个彼此独立的区域，每个区域端头安装了一个风机组(8个风机)。当部分风机发生故障时(特别具有相关性时)，所对应组件通道内冷空气流量势必会减少，这就需要风机组内的其他风机参与进来共同承担任务,均匀分配冷却空气来实现按需配冷。因此，对风机的控制方案为：通过监测温度、风速等工艺参数来自动调整风机转速，每个风机组只负责一个独立区域，对每个风机进行单独控制。

1.2控制流程

图1可以看出，其组成为：控制柜(下位机)、上位机、风机组、传感器和变送器等。整个控制系统采用上位机和下位机二级控制，通过软件实现人机交互，并监视现场设备的实时运行参数。上位机是工业控制计算机与下位机一起通过组态软件实现人机交互；下位机为PLC控制系统，通过逻辑控制程序执行软件传送来的命令，对现场设备直接进行控制，并采集现场数据。工作时，上位机与下位机之间通过总线实现远程连接，上位机读取PLC存储器中的变量信息，同时向下位机发出指令，即改变PLC存储器中的变量值来控制设备的运行，以实现远程控制。

各部分的作用如下：

温度传感器负责监视射频组件温度，如果发现温度未达到预定值就会通知PLC系统进行相应计算；风速传感器采用传感器和变送器一体化设计，工作时，传感器将采集到的风速信号传递给变送器，变送器将其转换为电流信号传递给PLC模块。系统采用的风速传感器的测量精度为±0.2 m/s，分辨率为0.1 m/s；电流变送器串联在风机电路监测风机工作电流值，并将该数值输送给PLC判断风机运转情况，若风机运转异常，及时发出报警信号。

系统选择无级变速风机，其转速调节范围为0～4 550转/min，适宜工作温度为-20～+60 ℃，工作寿命65 000 h。

PLC所需电源模块、MMC存储卡、PCI通讯卡、模拟量输入模块和接口模块等安装在控制柜(下位机)中；温度和风速传感器布置在每个独立区域的关键点部位。

1.3PLC控制策略

PLC控制原理如图2所示。虚框表示PLC模块，该模块与风机、变送器等共同组成一个控制回路。框图左边的温度信号1～n来源于射频组件本身。当风机处于自动控制状态时，利用PID闭环回路的控制，可使射频组件温度保持在设定的温度范围内。在回路中PID模块通过接收的反馈信号与预设目标值进行比较，根据比较结果，输出一个电压信号来控制风机的转速，达到调节温度的目的。同时，一旦风机转速发生变化，作为响应，现场采集的温度信号也将随之变化。变化后的温度信号重新经过上述流程进入PID控制模块，再次与目标值进行比较，循环往复，直到反馈信号与目标值相等。

图2　PLC控制原理

如上所述，PID模块是通过接收的反馈信号与预设目标值进行比较，用比较结果来控制风机转速，下面就以其中一个独立区域为例来说明运算方法。PLC算法模型如图3所示，每个方框代表一个射频组件，风机编号设为F01～F08，设5个测试点温度为T1～T5控制程序将T1和T2进行比较，取最大值作为F01和F05风机的反馈值，同理，T2和T3的最大值作为F02和F06风机的反馈值等等。

图3　PLC算法模型

这种算法能够保证：

① 测试点位置的组件温度可控制在预设温度值附近；

② 在达到热平衡状态时，所有风机都参与控制，彼此分担相同的责任。

需要说明的是，上述的控制策略并不受射频组件独立区域数量的限制，每一独立区域均可以采用相同的控制策略。

1.4软件需求

自动温控系统采用组态软件编程，上位机与下位机软件共同设计实现下列功能：

① 实时显示温度、风速数据；

② 可查询实时和历史曲线；

③ 实时上报数据至监控计算机；

④ 具备自动手动切换开关；

⑤ 具有报警功能；

⑥ 口令管理；

⑦ 提供帮助信息；

⑧ 具备自动存储、打印与查询功能；

⑨ 设置通讯端口，保证正常通信。

2冷却通道设计

利用空气来冷却电子设备发热器件，是一种比较直接的冷却形式，而冷却通道是整个温控系统的关键部分，其结构形式直接影响着功放组件的散热效果。

由设计方案可知，系统由4个独立区域组成整个阵面，每个独立区域单独完成温控任务，2个相邻区域间没有空气交换。因此，在相邻独立区域间用隔板封闭，不开通风孔等孔洞。在每个独立区域内设计出由承载射频组件的框架、散热肋片、导流板以及安装风机的散热单元来共同构成。其中散热肋片和导流板安装于射频组件上，其阵面风道示意图如图4所示。

图4　阵面风道示意

每个独立区域都被整齐排列的5列射频组件均匀分成了4个小的冷却通道，通道为减小阻力设计为直线形，之间不再分隔。当冷空气进入每个独立区域后可以通过PLC的控制调配作用，使4个小通道中的组件温度趋于一致。通道截面形状及尺寸取决于射频组件轮廓、导流板形状以及承载框架的结构设计。

2.1肋片及导流板设计

每个射频组件都含有一个功放模块，布置于射频组件的末级，本身不自带风机，其热量交换途径主要为散热肋片，散热肋片的设计质量直接关系到阵面的冷却效果及发热单元工作的可靠性[9]。在本系统射频组件的结构设计中，对散热肋片进行了多种方案的热仿真优化，结果表明，散热肋片在齿高35 mm，齿厚2 mm，间距8 mm时风阻最小，传热效果最佳。

散热肋片采用防锈铝合金板材加工，其优点是机加工性能好、轻巧牢固、传热效率高和抗振性能好。机械加工后进行导电氧化防护。为了保证散热肋片基板与功放模块接触良好，结合面机加工表面粗糙度不低于Ra3.2 μm，并涂导热脂，用数个M2.5的螺钉固定。

导流板是为增加散热肋片处的冷空气流量而设置的，在冷却通道中起部分分流作用。散热肋片及导流板示意图如图5所示。

图5　散热肋片及导流板示意

2.2散热单元设计

散热单元由一个箱体和风机、滤尘网共同构成。箱体是风机的安装基础，用优质冷轧钢板制造，为提高刚性在箱体表面压制了深度为2.5 mm的加强筋，并在开口法兰端面设计了数个安装孔，用螺栓与射频组件承载框架组装联结，结合面密封处理。箱体具有一定深度，当一个或多个风机发生故障后对风量有一定的调节作用，使冷空气均匀分布至每个独立区域，保证系统仍能可靠稳定运行。散热单元外观设计如图6所示。

图6　散热单元外观

3工程验证

按上述的温控系统设计方案进行设计，并编写PLC控制系统程序，在阵面功率最大、环控系统正常工作、预设温度为37 ℃时，对温控系统进行了不同工况下各种参数的测试。测试结果表明：在环控系统正常运行，每个独立区域风机组风机失效25%时情况下，温控系统调控下的射频组件主要模块温度始终保持稳定，相互间温差不超过5.8 ℃，满足不均衡温差10 ℃要求。

表1、表2、表3和表4是摘录了其中2种工况下几种参数的测试数据。

表1　风道参数测试结果(F04/08损坏，其余自动)

表2　对应表1工况风机转速　(单位：转/min)

表3　风道参数测试结果(风机全部自动)

表4　对应表3工况风机转速　(单位：转/min)

另外预设温度可以在一定范围内设定。其他软件功能如实时曲线和历史曲线查询等均已一一实现，在此不再详述。

4结束语

综上可见，用PLC技术对阵列天线射频组件阵面热控系统控制的优势是显而易见的，也证明了基于PLC控制的风冷温控系统的可行性。系统设计结构紧凑、技术实用、成本低廉、易于操控、污染小并且运行可靠。从实际完成后的实测结果来看，温升一致性好，在25%风机失效情况下不均衡温差为5.8 ℃，同时实现了自动控制、远程监控和无人值守等目标，取得了满意的散热效果。系统运行几年来，温控系统运行良好，不仅保证了阵列天线的正常运行，还大大减少了技术人员巡检次数，节约了经费开支。

参考文献

[1]张兆光.固态有源相控阵雷达冷却技术探讨[J].现代雷达，1996，2(1)：88-95.

[2] 汪一心，朱桓，徐晓文,等.阵列有源天线单元失效的影响与补偿[J].现代雷达，1998，20(4)：58-62.

[3]魏忠良.相控阵天线阵面的热设计[J].电子机械工程，2003，19(4)：15-18.

[4]叶菁.一种相控阵雷达天线的散热风量分配[J].现代雷达，1999，21(3)：95-99.

[5]夏鑫.基于PLC的热循环试验箱温度控制系统[D].南昌：南昌大学,2012.

[6]何东健.PLC技术在水电厂控制系统中的应用[J].现代冶金,2010，38(4)：48-50.

[7]赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[8]余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

[9]糜勇，孙费梅.机载有源相控阵天线冷却技术研究[C]∥2005机械电子学学术会议论文集，2005:306-309.

孟凡娟女，(1963—)，工程师。主要研究方向：电子设备结构设计。

作者简介

中图分类号TN03

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0067-04

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.17

引用格式：孟凡娟.一种阵列天线自动温控系统的设计与实现[J].无线电工程,2016,46(4):67-70.