某微型監(jiān)視雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計*

王 猛，劉衛(wèi)剛，徐建軍，王曉歡

(陜西黃河集團(tuán)有限公司設(shè)計研究所， 陜西 西安 710043)

某微型監(jiān)視雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計*

王 猛，劉衛(wèi)剛，徐建軍，王曉歡

(陜西黃河集團(tuán)有限公司設(shè)計研究所， 陜西 西安 710043)

為滿足微型監(jiān)視雷達(dá)輕型、便攜且能適應(yīng)多工況的使用要求，良好的結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計必不可少。首先，將雷達(dá)分解為天線收發(fā)單元及結(jié)構(gòu)支撐單元，完成整體構(gòu)型和結(jié)構(gòu)布局并確定三防設(shè)計和熱設(shè)計的基本內(nèi)容。然后綜合考慮設(shè)備內(nèi)部空間及重量限制，基于理論分析確定了自然散熱、強迫風(fēng)冷和輻射散熱的整體散熱方案。最后利用FloEFD軟件并結(jié)合工程實際對散熱模型進(jìn)行了仿真分析，得到了天線框架及內(nèi)部各組件的表面溫度分布圖。結(jié)果表明，T組件內(nèi)部芯片的最高溫度滿足使用要求，從而驗證了整體結(jié)構(gòu)和散熱方案的可行性。

微型監(jiān)視雷達(dá)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；三防設(shè)計；熱設(shè)計

引 言

微型監(jiān)視雷達(dá)又稱為活動目標(biāo)偵察雷達(dá)，其主要特征為體積小、重量輕、便攜性好，能夠方便的通過車載或背負(fù)攜行的方式進(jìn)入陣地并快速架設(shè)。針對全天候工作的使用要求，該雷達(dá)應(yīng)做到抗風(fēng)、防雨、防鹽霧以及防霉菌等，這些均離不開前期科學(xué)的設(shè)計與后期精密的加工。作為一個高度集成的復(fù)雜電子設(shè)備，雷達(dá)的設(shè)計主要包括電訊設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計、三防設(shè)計及電磁屏蔽設(shè)計等。其中，電訊設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計必須圍繞電性能指標(biāo)進(jìn)行。微型監(jiān)視雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計主要包括整體構(gòu)型和結(jié)構(gòu)布局，整體構(gòu)型是確定各主要組成單元及其連接方式，而結(jié)構(gòu)布局是對組成單元內(nèi)部進(jìn)行規(guī)劃和安排。為實現(xiàn)雷達(dá)的輕量化、小型化以及模塊化的指標(biāo)要求，需選擇輕質(zhì)材料并合理地劃分單元以做到輕型、便攜并適應(yīng)各種工作環(huán)境。除結(jié)構(gòu)設(shè)計外，熱設(shè)計也是一個不容忽視的重要方面。由于該雷達(dá)工作頻段高、體積小、模塊高度集成，導(dǎo)致T組件的效率極低，80%的輸入功率均轉(zhuǎn)化成了熱量，如此高的熱量若不能及時有效地散出，將會極大地影響雷達(dá)工作性能[1-2]。此外，三防設(shè)計要求該雷達(dá)的電子設(shè)備必須在密封環(huán)境中工作，這更不利于內(nèi)部各組件熱量的散出。著名的“10 ℃法則”指出“半導(dǎo)體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%”[3]，可見，為保證該雷達(dá)高效可靠地工作，有效的熱控制設(shè)計必不可少。本文根據(jù)工程設(shè)計中的實際情況，對某微型監(jiān)視雷達(dá)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及熱設(shè)計做了詳細(xì)的闡述及分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)備組成

某微型監(jiān)視雷達(dá)按結(jié)構(gòu)組成可分為天線收發(fā)單元、支撐單元、操控終端、電源以及配套電纜等部分，其中天線收發(fā)單元與支撐單元可快速拆分，實現(xiàn)雷達(dá)架設(shè)和撤收。雷達(dá)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 某微型監(jiān)視雷達(dá)結(jié)構(gòu)形式

1)天線收發(fā)單元：包含天饋系統(tǒng)及信號檢測系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)由天線陣面、T組件、R組件、頻率綜合器、波控機(jī)及接收機(jī)組成；信號檢測系統(tǒng)由目標(biāo)處理板和目標(biāo)檢測電源等組成，通過探測信號的定向輻射及回波信號的處理來完成目標(biāo)的搜索、捕獲與跟蹤。

2)支撐單元：包含快裝板、云臺及三腳架等，通過手動操作云臺上的把手實現(xiàn)雷達(dá)方位及俯仰轉(zhuǎn)動。

3)操控終端：采用低功耗高性能計算機(jī)，完成雷達(dá)的工作狀態(tài)控制、搜索及跟蹤目標(biāo)的圖形數(shù)字顯示、自檢結(jié)果顯示以及與上級指揮系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4)配套設(shè)備：電源總功耗小于150 W，保證雷達(dá)能夠連續(xù)工作不少于3 h；北斗光電校準(zhǔn)鏡；配套電纜等。

1.2 結(jié)構(gòu)布局及設(shè)計

在滿足電性能指標(biāo)的前提下，微型監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)盡量做到輕量化、小型化及模塊化，還要合理地分配成能夠快速拆分和架設(shè)的單元，便于背負(fù)攜行?；诖四繕?biāo)，將雷達(dá)分為天線收發(fā)單元和支撐單元兩部分(如圖2和圖3所示)，通過支撐單元云臺上的快裝板將兩者連接在一起。

圖2 天線收發(fā)單元外形

圖3 支撐單元外形

為使該雷達(dá)做到輕量化，在選材時盡量采用輕型材料，如鎂鋁合金(天線框架)、碳纖維復(fù)合材料(三腳架)等。此外，在對天線框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，綜合考慮各安裝組件散熱要求，盡量減少多余材質(zhì)，同時，運用成熟的加工工藝實現(xiàn)整機(jī)減重。為實現(xiàn)雷達(dá)的小型化設(shè)計，天線收發(fā)單元內(nèi)部各組件盡量做到高度模塊化集成，各模塊之間通過盲插對接，盡量減少線纜的使用。

1)天線收發(fā)單元由天饋系統(tǒng)和信號檢測系統(tǒng)兩部分組成。其中，天饋系統(tǒng)包括天線框架、發(fā)射天線、接收天線、T組件、R組件、頻率綜合器、接收機(jī)及波控機(jī)等。天線框架選用鎂鋁合金，通過銑削加工一體成型，在保證整體剛度的前提下減輕了重量。天線框架內(nèi)部各組件高度集成(如圖4所示)，可分為4 個主要部分：頻綜+接收機(jī)、T組件、R組件、電源+波控+接收機(jī)。發(fā)射天線和接收天線通過粘接的方式安裝在天線框架上，如圖5所示。T/R組件分別利用過渡條上的彎纜與粘接在天線框架正面的發(fā)射和接收天線連接，既減輕了重量又降低了成本。

圖4 天線收發(fā)單元結(jié)構(gòu)布局

圖5 發(fā)射與接收天線安裝布局

2)支撐單元包括快裝板、云臺及三腳架三部分，其中，三腳架為碳纖維復(fù)合材料，撐腿可收縮、聚攏，便于攜行和展開，通過云臺上的把手可實現(xiàn)雷達(dá)的俯仰和方位轉(zhuǎn)動。此外，三腳架中軸撐桿的底部裝有掛鉤，既可掛裝電源，也可懸掛重物以增加整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

2.1 抗風(fēng)設(shè)計

1)天線框架采用高剛度、高強度的鎂鋁合金材料；

2)支撐單元選用碳纖維復(fù)合材料，通過懸掛重物增加強風(fēng)時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 防雨設(shè)計

1)維修密封蓋在與天線框架的連接部位處設(shè)有橡膠密封墊；

2)發(fā)射與接收天線外噴涂三防漆；

3)風(fēng)扇與天線框架蓋板上的線纜孔通過防水膠密封。

2.3 防振設(shè)計

1)盡量選用貼片元器件，對較重的電源器件及印刷板采用固定結(jié)構(gòu)措施；

2)在結(jié)構(gòu)布局上使重量分布盡可能均勻，天線的重心位置居于系統(tǒng)中心偏下位置，較重的器件盡可能安放在中心或偏下位置。

2.4 高低溫防護(hù)設(shè)計

1)設(shè)計中選用元器件的工作溫度范圍按照低溫≤-40 ℃、高溫≥ 85 ℃進(jìn)行，對電源等發(fā)熱量大的元器件選用原則為高溫≥100 ℃；

2)T/R組件采用風(fēng)冷方式散熱。在設(shè)計中對T/R組件、電源等發(fā)熱量大的元器件工作溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)超出工作溫度范圍時報警。

2.5 三防設(shè)計

三防是指防潮濕、防鹽霧、防霉菌。三防設(shè)計包括原材料、元器件、工藝和結(jié)構(gòu)防護(hù)。

1)電路板設(shè)計采用密封的元器件；

2)不常拆卸的蓋板、連接頭，應(yīng)加密封橡膠墊圈，必要時可在接觸面上涂密封膠。暴露在外的接插件應(yīng)采用密封型，并灌注硅橡膠填充；

3)選擇金屬及其保護(hù)層時，要注意不同金屬間的接觸腐蝕。金屬材料應(yīng)選用防銹、耐腐蝕、防霉和防潮材料，如不銹鋼、鋁合金等。非金屬材料(包括密封材料)應(yīng)選用耐腐蝕、耐老化、耐潮濕、抗霉菌的材料；

4)所選用的密封材料應(yīng)具有良好的耐磨、耐壓、耐油、耐高低溫和抗老化的性能，并應(yīng)對金屬面和工作介質(zhì)具有良好的化學(xué)安定性；

5)天線框架表面進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，使之具有良好的導(dǎo)電性、耐磨性和耐氣候的性能；

6)印制板電路焊接、調(diào)試結(jié)束后，噴涂三防漆(如聚氨酯清漆)，涂漆前應(yīng)進(jìn)行清洗和烘干處理，以免潛留臟物和潮氣；

7)T/R組件采用氣密結(jié)構(gòu)設(shè)計，腔體中填充惰性氣體。

3 熱設(shè)計

微型監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)熱部件均在天線框架內(nèi)，由于雷達(dá)尺寸的限制，各組件模塊高度集成，熱流密度較大。尤其是T組件，由于效率低，輸入功率80%以上均轉(zhuǎn)化為熱量，針對T組件的熱設(shè)計為整個雷達(dá)熱設(shè)計的重中之重。由于該雷達(dá)體積小，能利用的內(nèi)部空間極為有限，普通的水冷及內(nèi)部安裝風(fēng)冷通道散熱的措施均不能實施。考慮到雷達(dá)的整體密封性要求，擬采用自然對流+熱輻射+強迫風(fēng)冷的綜合散熱方式來帶走內(nèi)部各組件產(chǎn)生的熱量。

3.1 技術(shù)要求

1)T/R組件殼體最大允許工作溫度不超過85 ℃；

2)工作環(huán)境溫度-40 ℃～+55 ℃。

3.2 耗散功率

1)T組件：50 W；

2)R組件：6 W；

3)頻綜+接收機(jī)模塊：15 W；

4)信號處理+波控+電源模塊：35 W。

3.3 散熱措施

由于該雷達(dá)整體密封，且因尺寸限制無法在內(nèi)部安裝風(fēng)道，所以只能將天線框架蓋板下沉，如圖6所示，把內(nèi)部各組件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到天線框架，然后通過一系列措施將天線框架上的熱量散掉。由于雷達(dá)被大氣包圍，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，即熱阻很大，向周圍傳導(dǎo)散熱量可忽略不計[4]，故只剩下自然散熱、強迫風(fēng)冷以及輻射散熱3 種方式。

圖6 天線框架后蓋板結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.1 自然散熱

由于該雷達(dá)任意方向上的幾何尺寸均小于600 mm，且空氣的物性參數(shù)在20 ℃ ～ 200 ℃范圍內(nèi)，故可由下列簡化公式來計算自然對流散熱量[5]：

φ=Φ/A=2.5CΔt1.25/D0.25

(1)

式中：φ為熱流密度，W/m2；Φ為熱流量，W；A為換熱面積，m2；C為由查表確定的系數(shù)；Δt為換熱表面與空氣的溫差，℃；D為自然對流時的特征尺寸，m。

C的數(shù)值由格拉曉夫數(shù)Gr與普朗特數(shù)Pr的乘積來確定，其表達(dá)式分別為：

(2)

(3)

式中：β為體積膨脹系數(shù)，1/℃；g為重力加速度，m/s2；A為換熱面積，m2；υ為空氣的運動黏度，m2/s；μ為空氣的動力黏度，kg/m·s；Cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·℃)；k為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣溫度為55 ℃時，

(4)

(5)

Gr·Pr=3.01 × 107< 109，故空氣流動狀態(tài)為層流，查表得C= 0.59，帶入式(1)得

φ=2.5×0.59×151.25/0.3180.25=60 W/m2

(6)

雷達(dá)表面的對流換熱面積A=0.333 8 m2，所以由自然對流散掉的熱量Φ1=φ·A= 20 W。

3.3.2 強迫風(fēng)冷散熱

天線框架后蓋板上安裝有兩只防水軸流風(fēng)機(jī)，24 V供電，額定風(fēng)量為0.3 m3/min，風(fēng)機(jī)耗散熱量忽略不計，工作時排風(fēng)量按0.2 m3/min計算。故強迫風(fēng)冷散掉的熱量為：

Φ2=qmCpΔt=1.06×0.2/60×100 5×10×2=

71.02 W

(7)

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/s。

3.3.3 輻射散熱

熱輻射是一種以電磁波來傳播能量的現(xiàn)象，由于溫度升高，物體內(nèi)原子運動的結(jié)果引起輻射。單位面積上由輻射散掉的熱量為：

(8)

式中：ε為物體的發(fā)射率；T2、T1為物體及空氣的絕對溫度，K。

天線框架材料為鎂鋁合金，經(jīng)導(dǎo)電氧化處理后其表面發(fā)射率為0.78，由式(8)可得由輻射散掉的熱量為：

(9)

物體表面的發(fā)射率對其熱輻射能力有很大影響，而對發(fā)射率影響最大的是表面粗糙度，粗糙無光澤表面的發(fā)射率比光澤表面的發(fā)射率要大得多，而吸收率卻相差不多。因此，在天線框架表面噴涂漆后，增加了表面粗糙度，提高了表面熱輻射能力，且對照射的光線產(chǎn)生了漫反射，也保護(hù)了視力。

綜上所述，由自然對流、強迫風(fēng)冷及熱輻射散掉的熱量總和為Φ=Φ1+Φ2+Φ3= 124.52 W，大于天線框架內(nèi)部各組件的總熱耗106 W。

3.4 基于FloEFD軟件的熱仿真計算

在FloEFD軟件內(nèi)對天線框架內(nèi)各發(fā)熱組件施加相應(yīng)熱負(fù)載，仿真分析后天線框架內(nèi)部及后蓋板表面溫度分布如圖7、8所示，圖9為散熱齒內(nèi)流體的瞬時流動跡線。從仿真結(jié)果可以看出，T組件內(nèi)部芯片溫度最高為83.49 ℃，最低溫度為77.53 ℃；殼體最高溫度為83.07 ℃，最低為73.36 ℃，滿足設(shè)計要求。

圖7 天線框架內(nèi)各組件溫度分布

圖8 天線后蓋板表面溫度分布

圖9 散熱齒內(nèi)流體瞬時流動跡線

4 結(jié)束語

本雷達(dá)經(jīng)過合理地單元分配及結(jié)構(gòu)布局，實現(xiàn)了輕型、便攜的設(shè)計目標(biāo)。通過自然對流、強迫風(fēng)冷和輻射散熱的綜合措施實現(xiàn)了密封條件下T/R組件及其它模塊的有效散熱，芯片及殼體溫度均滿足指標(biāo)要求。整體結(jié)構(gòu)及散熱方案切實可行，可為同類型的其他相關(guān)雷達(dá)提供工程設(shè)計參考。

[1] 束峰濤, 袁同山. 某毫米波雷達(dá)發(fā)射機(jī)的熱設(shè)計[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(4): 7-10.

[2] 劉家華. 某型雷達(dá)密封機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(4): 36-41.

[3] 唐寶富, 鐘劍鋒, 顧葉青. 有源相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2016.

[4] 徐景陽. 雷達(dá)發(fā)射機(jī)散熱設(shè)計[J]. 艦船電子對抗, 1997(3): 34-36.

[5] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

王 猛(1986-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)天饋線結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計的工作。

Structure and Thermal Design of a Miniature Surveillance Radar

WANG Meng，LIU Wei-gang，XU Jian-jun，WANG Xiao-huan

(ResearchInstituteofShanxiHuangheGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,China)

Excellent structural and thermal design is very important in order to meet the use requirements of miniature surveillance radar on light-weight, portability and adaptability in multi-operating conditions. Firstly, the radar is divided into T/R unit of antennas and supporting unit. The overall construction and structural layout of a miniature surveillance radar is introduced, based on which the basic components of three-proofing design and thermal design is stated. Subsequently, the whole cooling solution including natural convection, forced convection and thermal radiation has been determined by incorporating the inner space and weight restrictions. Finally, detailed parametric simulations are performed with FloEFD based on engineering practice to investigate the effects of thermal loads on the radar then the temperature on the surface of antenna frame and modules inside are obtained. The results clearly demonstrate that the highest temperature of chips inside the T modules meets the use requirements. Accordingly, it is proved that the overall structure and cooling solution are possible.

miniature surveillance radar; structural design; three-proofing design; thermal design

2016-10-23

TK124

A

1008-5300(2016)06-0018-04