车载相控阵雷达电源结构设计及仿真研究*

刘 欣，陈 琦

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

车载相控阵雷达电源结构设计及仿真研究*

刘 欣，陈 琦

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某车载相控阵雷达电源功率密度大，发热较大，雷达对电源的体积和重量有严格要求，加之工作环境苛刻，在较小空间内研制重量轻、可靠性高的电源难度较大。文中针对上述环境特点和边界条件，提出了电源整体结构设计思路，并着重讨论了力学设计、热设计和环境适应性设计中的关键问题。设计结果和最终试验证明，该电源具有良好的工作稳定性和可靠性。文中的研究结果对车载雷达电源的结构设计具有参考意义。

雷达电源；结构设计；热设计；功率密度

引 言

相对机械扫描，相控阵雷达具有波束指向灵活、扫描速度快、抗干扰能力强、稳定性高、多功能多目标跟踪等特点，因此，得到较为广泛的应用[1-3]。电源作为相控阵雷达的供电设备和重要组成部分，其形式由原有集中式的大功率、高电压真空管发射机电源变为低电压、大电流、高功率密度、整机效率高、稳定度高的开关电源[4-5]。

相控阵雷达的性能提高和发展趋势，对雷达电源的体积、重量、功率、效率、可靠性等提出了更高要求。车载平台的机动性要求雷达设备必须满足各种外部严苛环境条件，保证雷达性能正常发挥。雷达电源在实现电性能的同时，需要满足小型化、轻量化、模块化、可靠性等要求，在振动、冲击、电磁兼容、散热等方面具有较强的环境适应性。本文研究的雷达电源功率密度相对较大，安装密度高，热源相对集中，同时雷达整机对电源的体积和重量有着严格的限制，加之外部较为苛刻的环境条件，在严格的边界条件下研制功率高、质量轻、体积小、可靠性高的电源难度较大，因此，对电源进行结构设计研究具有重要意义。

针对车载雷达电源环境条件和边界条件，对电源进行了结构布局设计、力学设计、热设计，采用数值模拟方法进行仿真计算和优化。通过有限元仿真技术对结构设计及热设计进行了合理性分析和验证。结果表明，该电源满足各项指标要求，具有良好的工作稳定性和可靠性。

1 结构设计

1.1 设计指标

电源的最大外形尺寸受到严格限制，重量不大于8 kg，输出功率约为4 kW。阵面电源设计参数见表1。采用风冷形式会增加电源尺寸，并且由于该电源的热耗较大，因此，电源采用散热效果更好的液冷冷却。

表1 阵面电源设计参数

结构设计的指导思想是在保证电源电讯指标及结构指标的前提下，提高其可靠性，注重一体化、模块化、轻量化、小型化的实现，提升电源抗振抗冲击能力，满足功率元器件散热需求，使电源适应环境条件要求。

1.2 结构设计

1.2.1 一体化

电源机壳设计由冷板和盖板组成。冷板是电源采用液冷冷却形式最关键的部件。基于功能结构一体化设计，将电源冷板既作为功率元件的散热器又作为元器件的固定支撑骨架，兼具功能和结构双重作用。将热耗较大的器件放在流道上方，其它小热耗器件安装在周围，利用安装架或者凸台进行传导散热，结构紧凑，可有效利用有限空间。电源机壳通过面板左右支耳4个滚花松不脱螺钉与机架固定，再由后部定位销定位，便于拆卸和安装。

由于散热器件多，为便于加工和合理散热，冷板采用常规矩形流道形式。根据流量阻力特性匹配计算，冷板采用横截面尺寸为3 mm × 6 mm的矩形流道，通过基板与蛇形板氮气保护铝钎焊焊接并二次加工成型。冷板与发热器件结合面要保证较高的表面光洁度，从而减小接触热阻，提高传热效果，如图1所示。

图1 电源三维结构

1.2.2 模块化

在结构设计布局时采用了模块化思想，即将电源分成几个单独功能组件，各组件在电路和结构上具有一定的独立性。通过制造工艺封装和处理，构建了电容组件、功率组件、滤波组件等功能组件，形成了电源的功能模块化和组合化，有助于减少及统一电源品种和数量，便于调试、维护、换装。电容组件是电源的关键功能模块，电位高需考虑绝缘，而且电容本身还有散热要求，最终采用导热绝缘胶灌封工艺形成模块，既增加了电容的散热性能，又起到辅助固定作用。组件连接采用柔性接触方法，以解决传统连接方式导致的接触电阻过大弊端，有效降低线路损耗和杂散电感，汇流实现装配浮动性和可调性，如图2所示。

图2 电源功能组件

电源整机进行了结构模块化处理，其外形尺寸、安装形式与T/R组件相同，利于批量生产和雷达维护。

1.2.3 轻量化

电源壳体和盖板采用密度小、质量轻、导热系数大、易于加工的铝合金，以有效降低重量。在满足电源整体布局和性能要求的情况下，结合力学仿真结果，对电源结构进行减重优化；对电源盖板进行减形设计，盖板最薄处只有1 mm；对电源壳体非承力部位和远离流道的区域进行铣削凹槽形式的减重处理，以最终满足了电源的重量指标。

2 仿真研究

2.1 力学设计仿真

车载式雷达电源在运输或工作过程中面临不同的振动和冲击，如何在这种工况环境下保证电源不受到损坏而且正常工作是非常重要的。为了验证设计的合理性和正确性，需要对电源进行力学仿真分析。

电源机壳和盖板为铝合金材料，定位销为不锈钢材料。综合考虑仿真计算效率及模型准确度等因素，对电源模型进行了一定程度上的简化处理：去掉尺寸较小的孔、凸台、圆角；去掉不必要的倒角；将螺钉连接简化为结点间自由度耦合等。在模型简化的基础上，采用自动划分网格法得到网格模型，如图3所示，其中时间过渡比设为0.272，生长率为1.2，薄壁最大层数为5，电源由79 296个节点和40 431个单元组成。

图3 有限元网格

模态分析用于确定电源的固有频率和振型，为防止设计电源与安装载体工作频率接近而产生共振和噪声提供参考，同时为设计改进提供理论依据和后续动力学仿真提供所需频响特性。本文研究的电源等效为1个多自由度系统，该系统的动力学方程为：

(1)

对于模态分析，求解系统的固有频率和模态振型，F(t) = 0，C一般忽略。因此，无阻尼自由振动系统的动力学方程为：

(2)

当发生谐振动，即x=Usin(ωt)，式(2)为：

(3)

式中：ωi为系统的第i阶圆频率，fi=ωi/2π为第i阶自然频率；特征向量φi表示第i阶振型。

为了求解式(3)的特征值和特征向量，采用求解精度高且运算速度快的Block Lanczos方法。电源的振动可以表示为各阶固有振型的线性叠加，其中低阶固有振型对结构的振动的影响更大，对结构的动态特性起决定性作用。因此，本文提取了前6阶固有频率(见表2)和振动模态(如图4所示)。

表2 电源前6阶固有频率

图4 电源前6阶对应的模态振型

电源的最低固有频率为249.58 Hz，大于一般车载激励振动频率范围0 ～ 125 Hz[6]，即电源的固有频率避开了外部激励频率，因此满足设计要求。

根据冲击环境条件，对电源施加半正弦脉冲载荷，峰值加速度为20g，脉冲持续时间为11 ms。考虑到结构阻尼，瞬态分析过程采用完全法，仿真计算时间持续至1 s，以捕捉到整个冲击过程中的结构响应。

图5和图6分别给出了电源在X向冲击载荷作用下的变形-时间历程、应力-时间历程。由于结构阻尼的存在，整个冲击过程中最大变形和应力出现在4 ms处；冲击载荷加载至11 ms时结束，而结构响应仍然持续了一段时间。最大应力滞后和结构响应的持续与结构的特性是相吻合的。

图5 电源在X向冲击下的变形

图6 电源在X向冲击下的应力

图7和图8分别给出了电源在Y向冲击载荷作用下的变形-时间历程、应力-时间历程，最大变形和应力出现在5 ms处。

图7 电源在Y向冲击下的变形

图9和图10分别给出了电源在Z向冲击载荷下的变形-时间历程、应力-时间历程，最大变形和应力出现在6 ms处。表3对结构最大应力、最大变形及发生的位置进行了统计。X向、Y向、Z向冲击载荷下电源结构最大应力值分别为74.308 MPa、50.66 MPa、61.97 MPa，小于σ0.2/f，其中铝合金材料的屈服极限σ0.2= 125 MPa，不锈钢材料的屈服极限σ0.2= 205 MPa，f为安全系数。上述最大应力值都小于材料发生疲劳的极限应力，无疲劳损伤发生，可保证电源的全寿命工作。所以，在冲击载荷作用下，电源设备的结构设计满足冲击环境要求。

图8 电源在Y向冲击下的应力

图9 电源在Z向冲击下的变形

加载方向最大应力/MPa最大应力位置最大变形/mm最大变形位置安全系数疲劳寿命X74．308定位销根部0．15机壳中部2．5全寿命，无疲劳发生Y50．66定位销根部5．64e-3盖板侧部3．4全寿命，无疲劳发生Z61．97支耳松不脱螺钉处3．02e-2机壳侧壁2．5全寿命，无疲劳发生

图10 电源在Z向冲击下的应力

根据多自由度系统的动力学方程，可以得到系统响应均值列阵为：

(4)

H(ω)=diag(Hj(ω)) (j=1,2,…,n)

(5)

功率谱密度函数描述随机振动的频率构成，定义为自相关函数的傅里叶变换，得到

(6)

根据力学环境条件，同时对电源施加垂向、横向、纵向3 个方向上的随机振动谱激励作用，并进行有限元分析。图11给出了电源的3σ变形云图和 Von-Mises应力云图。

图11 电源在随机振动下的变形与应力

表4对电源在随机振动载荷下的最大应力(3σ)、最大变形(3σ)及发生的位置进行了统计。

表4 电源在随机振动载荷下最大3σ变形及3σ应力

电源结构最大3σ应力达到95.486 MPa，最大3σ应力值出现在定位销根部，最大3σ应力小于σ0.2/f。最大应力值小于材料发生疲劳的极限应力，不会发生随机疲劳损伤。所以，电源设备的结构设计满足随机振动环境要求。

2.2 热设计仿真

电源工作时温度过高会对电子元器件的可靠性与使用寿命造成严重影响，会导致电子元器件的过早失效，从而造成电源的失效。因此合理有效的散热设计至关重要。电源单台最大总热耗为300多瓦，内部主要器件功耗见表5。

表5 电源内部模块功耗

计算单台电源的液冷流量需求，由式(7)决定：

(7)

式中：Qv为需求流量；Cp为冷却液比热，kcal/(kg·℃)；γ为冷却液重度，kg/m3；Δt为冷却液温升，℃；P为总热耗，W。

通过电源流道结构设计形成的流阻流量匹配，保证单台电源分配流量为70 L/h。根据设计的冷板形式，对电源进行热仿真分析。散热形式主要以热传导为主，传热途径为器件与冷板热阻、冷板与冷却液导热热阻。为了验证前述设计，选择工作环境参数对电源进行了温度场仿真，供液温度为22 ℃，供液流量为70 L/h。仿真结果如图12所示。

图12 电源热仿真分析

由图12可知电源发热器件壳体表面温度最高为41.05 ℃，位于整流器件；电源冷板表面温度在34 ℃以下；当供液温度达到外部最恶劣条件时，发热器件壳体表面最高温度仍然小于壳温85 ℃的要求。所有器件都能够满足散热要求，验证了电源热设计的合理性。

3 环境适应性设计

(1)针对交变湿热的环境条件，对电源采取了密封性加强，防止潮气进入电源内部。具体措施有：冷板流道开坡口焊接，防止钎料填充不均匀造成焊缝强度不够；焊后进行冷板保压测试；电源壳体表面安装的器件采用密封型；在电源盖板和壳体之间增加导电密封胶条；对壳体和盖板之间以及其他结构件与壳体之间的缝隙进行带胶工艺处理；电源高压模块采用导热绝缘胶灌封，既保证了安全绝缘又隔离水气影响。

(2)面对防潮、防霉、防盐雾的要求，对电源采取了“三防”处理。具体措施有：电源结构件优选抗腐蚀能力强的材料加工；冷板成型后流道内外进行表面涂覆处理，提高铝合金的耐腐蚀性；汇流条增加接触保护剂；对电源内部喷涂三防漆，增强抗腐蚀能力和防霉作用。

(3)通过多项措施，保障电源的安全性。电源的快速水接头与电连接器安装不共面，实现水电安全分离；安全距离较临界的汇流条喷涂绝缘材料，增加绝缘性能和防护；在接线排、开关等均有防护保护，并贴安全警示标牌。

(4)针对电磁兼容性要求，从屏蔽和滤波入手对电源进行电磁兼容加强设计。在电源壳体与盖板的配合面开深度合适的沟槽加装导电胶条，保证电源整体屏蔽连续；元器件安装时，对元器件与安装面的配合缝隙进行涂导电胶密封处理，提高电磁屏蔽性能；电源输入串接滤波器，有效抑制电磁干扰，提高电源的电磁兼容能力。

4 结束语

针对车载雷达电源苛刻的环境条件和严格的边界条件，采用功能结构一体化、模块化、轻量化的设计思路完成了电源设计，对电源的结构布局、力学设计、热设计和环境适应性设计进行了详细的阐述和分析。采用数值模拟方法进行了力学及热仿真计算，验证了设计的合理性。对电源的密封性、三防、安全性、电磁兼容性加强设计，提高了雷达电源的环境适应能力。

该电源已通过了交变湿热、温度、振动冲击等各项环试和验收。试验结果表明，电源满足各项指标要求，工作稳定可靠。

文中应用的以数值模拟为基础的仿真设计方法，对以后雷达电源的设计具有参考意义。

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[3] 邵春生. 相控阵雷达研究现状与发展趋势[J]. 现代雷达, 2016, 38(6): 1-4.

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[5] 宋万均, 张安堂. 一种程控功率因数可调开关电源设计[J]. 电测与仪表, 2014, 51(14): 110-115.

[6] 郑伟刚, 刘志军, 杨宁. 汽车转向泵支架的静态和模态分析[J]. 机械设计与制造, 2014(6): 182-184.

刘 欣(1981-)，男，高级工程师，博士，主要从事雷达发射与电源结构设计工作。

陈 琦(1989-)，男，助理工程师，硕士，主要从事雷达发射与电源结构设计工作。

Structure Design and Simulation Analysis of a Power Supply forVehicle-borne Phased-array Radar

LIU Xin，CHEN Qi

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The power supply for a vehicle-borne phased-array radar is characterized by high power density and high heat dissipation. Besides, the size and weight of the power supply are strictly limited. Therefore, it is difficult to design the lightweight and highly reliable power supply for a vehicle-borne phased-array radar in the small space. According to the work environment characteristics and boundary conditions of the power supply for a vehicle-borne radar, the overall structure design method of the power supply is proposed. The key issues of the mechanical design, the thermal design and the environmental adaptability design are focused. The design result and the final test have proved that the power supply has good work stability and reliability. The design result can provide a reference to the structure design of vehicle-borne radar power supply.

radar power supply; structure design; thermal design; power density

2016-11-07

TN958.92

A

1008-5300(2017)01-0025-06