某VHF+UHF波段数字阵列模块结构设计与热设计

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(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

数字阵列模块(DAM)是数字阵列雷达(DAR)的基本单元，其采用集成化和数字化技术，将射频收发单元、本振功分单元、中频数字收发单元和分布式电源等多个功能电路整合并一体化设计，完成雷达数字化收发、数据预处理和传输功能[1-3]。DAM大多集成度高、体积大、热耗高，并且在地面、机载等数字相控阵雷达上使用数量较多[4-5]。因此，针地面或机载等平台对DAM工作环境的要求，对DAM开展轻量化、密封防护、安装维护和热分析设计显得尤为重要。在此，重点介绍了某VHF+UHF波段DAM结构设计与热设计详细设计方案，为开展相关频段DAM结构设计提供一定的参考与借鉴。

1 结构设计方案

1.1 功能及结构组成

VHF+UHF波段数字阵列模块(DAM)主要集成了8个模拟发射通道和8个模拟接收通道，2个数字化收发模块和DC/DC电源模块等，采用双面模块叠放的结构形式，正反两面板间的信号互连采用射频电缆焊接方式实现。接收通道完成回波信号的接收、放大、滤波和数字化接收，形成数字基带信号，从而由信号处理分系统实现接收DBF；发射通道完成雷达波形信号的DDS形成、滤波放大，经功放到天馈分系统，其DDS波形形成技术能够实现高精度相位控制，可以实现发射DBF。DAM的尺寸为600 mm×350 mm×60 mm(长×宽×高)，重量<15 kg。其外形结构如图1所示。

图1 DAM模块正反面布局示意

1.2 DAM结构设计

DAM安装在相对密封的机箱上，可很好地改善其使用环境。DAM上设计有安装把手、挂钩和螺钉安装孔等。DAM采用挂钩预安装在机箱上，再通过螺钉固定在机箱安装架上。同时通过安装把手可方便DAM的快速拆装、维护。考虑到DAM内部功放模块、数字板等发热器件的热耗，以及避免采用设计复杂的液冷管网，采用风冷散热方式对DAM进行散热，风机安装于机箱上，在相对密封的机箱环境内为DAM形成良好的散热风道。

2 关键问题及解决措施

DAM结构特点是模块数量多、密度大，相互连接的电缆多，通道与通道之间的相互干扰多，使用环境恶劣，所以需要解决DAM模块的密封防护设计、轻量化设计和电磁屏蔽设计等问题。此外，由于多路射频收发模拟前端采用模块均相同，数字部分采用的是多路集成一体化设计，所以射频收发模拟前端模块数量多，热耗集中，因此DAM的散热问题也是需要解决的关键问题之一。

2.1 密封防护设计

DAM安装在一个机箱内部，避免了雨淋和阳光直接暴晒，因此组件设计可以按防淋型密封设计[6]。DAM上外接电连接器选择密封型连接器。壳体与盖板之间的密封材料选用具有导电及密封功能的导电橡胶绳，导电橡胶压缩时靠其回弹力来密封，同时还具有对电磁波的屏蔽作用。壳体与盖板之间采用不锈钢螺钉连接，相邻螺钉的间距与螺钉的直径相匹配，同时设计时保证内部模块固定安装孔不与外部相连通。

2.2 轻量化设计

整个雷达收发分系统共有10个DAM，全部安装在天线阵面上，单个DAM预估重量在20 kg左右。DAM数量多，重量大，因此DAM的轻量化设计意义重大。轻量化设计有如下措施：

a.统筹考虑DAM模块布局、安装固定、线路连接、电磁屏蔽、密封防护和散热翅片等，同时控制内部模块的体积和重量。从DAM布局示图可以看出，射频收发模拟前端部分占据了整个正面布局的60%面积以上，合理布局好射频收发模拟前端部分是整体轻小化设计的关键。为满足功放散热要求，需要在射频收发模拟前端背面布置散热翅片，模块与模块之间采用小过渡微带板进行信号传输，通道之间均采用1 mm的隔筋进行隔离。

b.采用薄壁结构实现壳体、盖板轻小化设计，最薄处壁厚为0.7 mm，在适当位置增加加强筋。壳体与盖板选择轻质铝合金材料。经轻量化设计后的DAM重量由预估的20 kg减重为15 kg以下。

2.3 电磁兼容性设计

为避免DAM内部通道之间相互串扰及DAM与外部系统之间相互干扰，对DAM屏蔽的具体措施如下：

a.16路通道之间都用1 mm隔筋分开，如有电连接的地方，在隔板上开尽量小的孔而隔板不被破坏，最大限度地减小通道之间的相互干扰。

b.提高盖板与壳体配合面的精度，在可能泄漏的重要地方增加螺钉数量。

c.在射频收发模拟前端部分采用双层盖板，即采用内部小盖板+外部DAM大盖板的形式保证电磁屏蔽效果。

d.盖板与壳体之间采用导电橡胶绳。

3 热分析及优化设计

3.1 冷却方式选择

目前，DAM散热主要采用风冷散热技术或者液冷散热技术。风冷散热技术主要优点是结构简单、设备量少，但是散热能力较差、集成度低、所需安装空间较大，适应于热流密度较低、热源较为分散的场合。而液冷技术主要优点是散热能力强能实现高集成设计，但是其成本较高且可靠性低[7-8]。考虑到雷达工作频段为VHF和UHF波段，阵面安装空间较大，为了提高系统的可靠性，本方案中的DAM选择风冷散热技术。

3.2 设备组成及工作原理

由于采用风冷散热技术，因此每个散热部件主要由风冷冷板和散热风机组成，本项目共有10个DAM，每个DAM需要1个风冷冷板和6个散热风机，因此总共有10个DAM风冷冷板和60个散热风机。工作原理为：DAM工作时，环境风被风机吹向风道并流经风冷冷板翅片，冷风在这里将DAM的热量带走从而确保其在允许的温度范围内工作，风道出口的热风直接排放到环境中。

3.3 DAM热耗及指标要求

DAM热量主要集中8处功放模块的功率主芯片及2处数字板的FPGA器件上，每路VHF功放工作热耗为75.2 W，UHF波段功放工作热耗为54 W，总功放热耗约为516.8 W。2块数字板的FPGA器件工作热耗为132.8 W。DAM功率管壳体温度≤85 ℃，FPGA壳体温度≤80 ℃。工作环境条件：储存温度，-40～+65 ℃；工作温度，-10～+40 ℃(室内)，-20～+50 ℃(室外)。

3.4 仿真分析计算

DAM热耗较大，DAM风冷冷板设计主要是其翅片结构设计，以翅片厚度、翅片间距和翅片高度进行分析设计。结合设计经验及散热需求，确定翅片的初始参数：翅片厚度1 mm，间距2 mm，高度40 mm，并在此基础上进行优化。进风速4 m/s，进风温度50 ℃，对其在热耗最大模式下(VHF频段器件工作)散热效果进行了仿真分析。为保证仿真结果不失真，对模型进行部分简化：忽略了模块与周围空气的对流散热因素；忽略了所有螺钉孔；忽略了部分小的筋板；接触热导的影响因素多，较为复杂，其当量接触换热系数取值为10 000 W/(m2·℃)。

经仿真计算可知DAM器件最高温度为90.7 ℃，功放壳体最高温度为75.8 ℃，FPGA壳体最高温度为82.5 ℃，显然，功放温度指标满足要求，FPGA温度不满足指标要求。

3.5 热优化设计

考虑到现有翅片结构不满足散热需求，以及尽量降低散热系统带来的增重问题，主要从散热翅片的厚度、间距、高度进行优化设计。在翅片高度40 mm和翅片间距2 mm保持不变的情况下，DAM器件温度及翅片重量随翅片厚度变化情况如表1所示。由表1可知，随着翅片厚度的增加，器件的温度不断增加。考虑到强度和加工难度，翅片厚度选择1 mm。

表1 器件温度及翅片重量随翅片厚度变化情况

在翅片高度40 mm和翅片厚度1 mm保持不变的情况下，DAM器件温度及翅片重量随翅片间距变化情况如表2所示。可见随着翅片间距的增加，器件的温度不断增加，这是因为器件间距的增加会导致翅片数量减少，减少换热面积，但翅片间距的减少也会增加风阻，因此翅片间距减少到一定程度不会带来散热量的明显增加，同时翅片间距减小还会增加重量并增加加工难度，所以翅片间距选择2 mm。

表2 器件温度及翅片重量随翅片间距变化情况

在翅片间距2 mm和翅片厚度1 mm不变的情况下，DAM器件温度及翅片重量随翅片高度变化如表3所示。考虑翅片高度带来翅片重量的增加，因此建议翅片高度选择为25 mm。

表3 DAM器件温度和翅片重量随翅片高度变化情况

从上述优化结果看，功放温度满足要求，但FPGA温度超过指标要求。因此从壳体局部结构、散热翅片流场和翅片位置等方面进一步优化设计。

a.壳体局部优化设计。在冷板壳体上，长凸台将部分FPGA的热量传递到壳体上面转移到环境中，其结构示意如图2所示。仿真分析的边界条件不变，仿真结果温度云图如图3所示。由图3可知，功放壳体最高温度为78.6 ℃，FPGA壳体最高温度为82.1 ℃，相比原结构功放壳体温度基本不变，但是FPGA温度降低约4 ℃。

图2 加散热凸台壳体示意

图3 加散热凸台DAM温度云图

b.翅片流场优化设计。前述所有优化均建立在冷风从功放背面翅片区域经过，将功放等主要发热元器件热量带走后，再流到FPGA等数字收发器件散热区域，优点是入口的环行器等热耗较大的元器件散热条件较好，但会造成FPGA附近壳体基板温度较高，同时使空气在流经FPGA所对应的散热翅片时温度较高。因此，通过改变风在风道中的流向来改善FPGA的散热条件，即将风道进、出风方向调换，使得冷风先吹过FPGA散热翅片区域，再依次吹向功放和环行器等发热器件散热翅片区域。仿真分析的边界条件不变，仿真结果温度云图如图4所示。由图4可知，功放壳体最高温度为76.5 ℃，FPGA壳体最高温度为76.5 ℃，均满足指标要求。

图4 流场优化后的温度云图

c.翅片位置优化设计。前述所有的仿真均是翅片设计在DAM壳体上，但是会增加DAM壳体的重量，同时不利于DAM安装、维护和搬运等。因此考虑将DAM散热翅片设计在DAM机箱上，为了验证其散热效果，对其进行了仿真分析(边界条件不变)。仿真结果温度云图如图5所示。由图5可知，功放壳体最高温度为82.3 ℃，FPGA壳体最高温度为74.5 ℃，显然满足散热要求。

图5 机箱上设计翅片温度云图

4 结束语

随着数字阵列雷达的快速发展，轻量化、密封防护、散热等问题成为抑制高集成、高密度数字阵列模块应用的重要影响因素。设计的某VHF+UHF波段DAM，满足雷达总体对密封防护、轻量化和散热等方面的指标要求，DAM重量由预估的20 kg减至15 kg以下。DAM散热翅片设计在机箱上，翅片尺寸为1 mm×2 mm×25 mm(厚度×间距×高度)，同时优化翅片流场方向及壳体局部结构时，DAM内部器件的散热效果最佳。

参考文献：

[1] Tsui J．宽带数字接收机[M]．杨小牛，陆安宁，金飚,译.北京: 电子工业出版社，2002．

[2] 吴曼青．数字阵列雷达的发展与构想[J]．雷达科学与技术，2008，6(6):401-405．

[3] 吴曼青．数字阵列雷达及其进展[J]．中国电子科学研究院学报，2006，1(1):11-16．

[4] 胡善祥,王强,高菡，等．一种UHF波段8通道数字阵列模块设计[J]．火控雷达技术，2016，45(4):69-73,97．

[5] 马小芳．数字阵列模块自动测试系统的研究与设计[J]．现代电子技术，2015，38(19):125-127．

[6] 国营786厂，上海电科所.电气和电子设备机壳定义和基本要求：GJB 1440-1992[S].北京:国防科工委军标出版发行部,1993．

[7] 陈奎，帅立国，钟剑锋，等．基于现代设计方法的雷达风冷系统设计[J]．电子机械工程，2016，32(1):20-23．

[8] 余小玲，冯全科．电力电子设备常用散热方式的散热能力分析[J]．变频器世界，2009(7):76-78．