一种小阵面相控阵雷达天线舱体的散热设计

韩文峰　文思钊　赵世杰　王少春

(武汉滨湖电子有限责任公司　武汉　430077)

0　引言

众所周知，在设计相控阵雷达天线结构时，为了改善阵面骨架的受力状况，满足阵面刚强度的要求，往往利用设备箱作为阵面骨架的支撑体，虽然这样能缓解板式结构厚度尺寸与横向刚度之间的问题，但是这样也会使天线承受设备箱内大量电子设备所附着的重量。这不仅给天线刚强度设计提出了更高的要求；而且由于存在着诸多制约因素，如电子设备发热量较大，大量电缆线走线的需求，天线阵面尺寸的限制等，这势必增加了天线舱体热设计的难度。尤其是在高机动车载小阵面相控阵雷达天线舱体热设计中尤为突出。

虽然这类高机动车载小阵面相控阵雷达中T/R组件等大发热量电子设备的数量相对较少，但是为了满足车载和高机动性的要求就限制了天线舱体厚度和宽度，加之又是小阵面天线进一步限制了天线舱体内部空间的大小，从而进一步加剧了这类天线舱体散热设计的困难度。

本文介绍了一种高机动车载小阵面相控阵雷达天线舱体散热设计的过程、方法以及注意事项，并通过ICEPAK热仿真软件对其进行了仿真设计与验证，最后通过实测验证了设计过程与方法的正确性。

1　天线舱体

如图1是某高机动车载小阵面相控阵雷达天线舱体结构的示意图。

图1所示天线舱体的外形是一个“凹”字型连通舱，图中的外形尺寸是根据该雷达高机动车载尺寸(含俯仰)限制的要求而设计确定的。舱体内电子设备的布局是根据电子设备种类与数量、散热的要求以及在雷达工作时达到“三心合一”的目的而设计确定的。

2　天线舱体热设计

相控阵雷达特别是有源天线阵面的热设计一直以来都是一项关键的技术。热设计的基本任务就是设计出适合本雷达设备需求的冷却系统。冷却系统要有良好的环境适应能力，不仅要高温环境情况下能正常工作，而且要避免因环境变化和长期使用后由于积灰、污垢引起的流道阻力的增加，而导致冷却系统的失效[1]。此外，冷却系统还应具有良好维修性和性价比。

一般而言冷却系统的设计内容主要包括：冷却方式、风道/水路(含冷板)、冷却设备的选择等几大部分。下面就本例详细介绍天线舱体冷却系统的设计过程。

2.1　设计任务

图1所示高频柜中最重要的组成部分是T/R组件，每个组件平均发热量为260W，总发热量近4kW，组件电子器件表面最高的允许温度为100℃；图1所示电子柜中主要组成部分为电源模块、功分等电子设备总发热量约为800W。

设计任务：要求该雷达在最高环境温度为60℃条件下能正常工作。

2.2　冷却方式的选择

电子设备冷却形式主要有空气冷却、液体冷却等冷却形式[2]。本例中空气的自然对流冷却显然达不到系统设计的要求，不予考虑。本例中若采用液体冷却，一方面总发热量相对较小，经济性较差，另一方面液体冷却结构复杂需要的设计空间较大，这与小阵面雷达天线空间有限制相矛盾，故本例中采用的冷却方式是强迫风冷方式。

2.3　风道设计

在强迫风冷系统中除了风量的计算、风机的选型之外，风道的设计就尤为关键。这是因为在强迫风冷系统中都有专门的通风管道，正确设计和安装通风管道对散热效果有较大的影响。风道设计时除了通过控制管道的长短、形状等，来达到尽可能减小风阻的目的外，还应该重点注意风道的密封问题，特别是在进出风口位置选择上尤为关键[1]。以本例而言，从图1中可知天线舱体的正面是天线阵面不可能布置进出风口，再则天线阵面的背面是舱体的两个正门，雷达运输状态时一直朝上也不合适作为进出风口，所以本例中只能是舱体的底面和侧面作为进出风口的位置。再考虑到风道中的“风短路”问题，就本例而言如果选择底面作为进风口，侧面作为出风口，冷却风从底面进风口进入天线舱体后，会直接经电子柜和高频柜与舱体之间的空隙从出风口出去，这样就达不到散热的效果。

此外，本例中高频柜主要是用来承载多个T/R组件的，通常T/R组件的散热都涉及到等量送风的问题，一般而言解决这类问题常采用静压箱的方式。

2.3.1风路设计

从上述的分析结合本例的实际情况，设计出图2所示的风路结构。

图2主视图(b)中位号1的进风口及位号2的轴流风机①主要是为天线舱体中电子柜进行散热，冷空气从进风口进入，经过电子柜后，通过天线舱体连接通道流向左侧的舱体内，后经T/R组件、静压箱，从离心风机排出舱外；图2主视图(b)中位号6进风口及位号4的轴流风机②主要是为天线舱体高频柜进行散热，冷空气从进风口进入后，经过T/R组件、静压箱，从离心风机排出舱外。

在此结构中需要着重说明几点：

1)从图2可知舱体散热的位号6进风口和位号5出风口都在舱体的底面，这样就需要防止“风短路”的情况，为了防止这个问题发生，在设计时需要尽量拉开此进风口和出风口位置距离；

2)从图2可知位号6的进风口及进风通道是在舱体门板上加装“π”型件来实现的。在设计此“π”型件时其高度值一定要综合来考虑，一方面高度过小进风量就小对散热不利，另一方面要考虑到避免运输超高的问题及风道过大使得风压过小也会对散热不利；

3)图2主视图(b)中虚线的代表是一块隔板，其控制着舱体内左右两舱相互连接的空间大小。该空间的大小，直接影响到电子柜的散热效果，空间过小会风阻大，降低风速和风压；过大会导致冷空气还没有流经全部的电子柜就流向左侧舱体内，出现“风短路”的情况，所以设计该隔板位置一定要特别注意。

此外，图2中位号8的静压箱是，用来解决T/R组件的散热问题，那么如何在整个冷却系统当中实现静压箱等量送风就是静压箱设计的难点。

2.3.2静压箱设计

静压箱为了实现等量送风，可以通过调节通风风道截面或调节小舱(静压箱)入口处挡板上通风孔大小来达到这一目的[3]。考虑到保证静压箱的加工性、T/R组件模块化及互换性通常会采用等通风道截面变孔口的方法。即仅改变静压箱挡板上对应每组T/R组件位置上的通风小孔大小及数量来实现等量送风。

设计依据主要是根据流体的能量方程式—佰努利方程[3]：

其中：Z—单位重量流体相对基准面的高度，即位置水头；

Hω—末状态相对于初状态增加的能量。

由于位能Z1、Z2的影响较小，在此忽略。若不计Hω，由于冷却空气从图2位号6的进风口进入后，到达A点位置(第一个T/R组件处)时动压最大，到达B点位置(中间T/R组件处)时动压逐渐变小，到达C点位置(最上个T/R组件处)时动压最小，冷却空气流过位号9的T/R组件及位号8的静压箱后D点和F点位置相对动压最小，E点位置动压最大，即出风口处中间动压最大，向上向下逐渐变小。因此，对于静压箱ABED区域而言静压差ΔPAD>ΔPBE完全可以通过静压箱挡板DE段上对应的小孔的大小及数量来调节风阻Hω的大小，从而达到ΔPAD=ΔPBE的目的；而对于BCFE区域而言由于C点位置动压最小所以不能得到ΔPCF>ΔPBE的关系，那么该区域是如何做到等通风道截面变孔口法来实现等量送风的呢？

最直接的办法就是提高C点位置的动压，让BCFE区域达到与ABED区域相同的静压差条件。从图2中可知，在舱体的右侧上方增加位号3进风口以及位号4的轴流风，这样不仅能对从舱体右侧流动过来的热空气进行降温，而且还会让C点位置的动压得到进一步的提升。从而使得BCFE区域也能实现等通风道截面变孔口法条件下的等量送风。

以上就是本例中散热设计的主要过程，然后经公式计算出所需的风量，选择合适的风机，就能完成整体热设计的过程，那么该设计的是否可行，就需要对其进行热仿真分析。

3　热仿真验证

ICEPAK是热仿真分析中常用的软件。本例热设计方案也采用该软件进行仿真。将相关的边界条件代入模型后，仿真结果如下：

从图3(a)中可知对每个T/R组件流经的风速最大差异在10%以内，基本实现了等量送风；从图3(b)中可知电子器件最大的表面温度为82℃，完全满足设计任务的要求。

4　工程化验证

有了热设计仿真的良好结果，对天线舱体进行工程化的实施，实施后对其进行了实物验证。验证方式主要采用以下的方式：

(1)功率老练测试。测试表明T/R组件完全能正常工作，满足实际的散热要求；

(2)实测风速。现场对通过T/R组件的风速进行实测，实测表明风速最大处为5.5m/s，最小处为4.8m/s，平均风速为5.1m/s完全满足设计要求。

5　结束语

相控阵雷达天线舱体的散热设计是一项关键技术，本文通过实际的工程案例，分析了天线舱体散热设计的过程、关键技术，并进行了模拟仿真及工程化实测的双重验证，得到了较满意的结果，提供了一种高机动车载小阵面相控阵雷达天线舱体的热设计方法。

参考文献:

[1]赵惇殳. 电子设备热设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[2]张润逵, 戚仁欣, 张树雄. 雷达结构与工艺(上册)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[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): 15-19.

[4]邱成悌, 赵惇殳, 将全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2001.