有源相控陣雷達除濕模塊技術研究*

常文凱，王業(yè)文，胡龍飛，劉紹武，婁開勝

(1. 上海航天電子通訊設備研究所， 上海 201109；2. 南京艾科美熱能科技有限公司， 江蘇 南京 211101)

有源相控陣雷達除濕模塊技術研究*

常文凱1，王業(yè)文1，胡龍飛1，劉紹武1，婁開勝2

(1. 上海航天電子通訊設備研究所， 上海 201109；2. 南京艾科美熱能科技有限公司， 江蘇 南京 211101)

隨著現代相控陣雷達的不斷發(fā)展，天線陣面的結構密度越來越大，導致了各個功能部件的安裝空間逐漸縮小、陣面內部空氣流動阻力逐漸變大、對系統(tǒng)中各部件的互聯性要求越來越高。傳統(tǒng)的僅考慮除濕和防霉功能，將除濕模塊作為一個獨立模塊進行設計的思路已不能適應當前雷達的發(fā)展。文中提出了一種將除濕模塊與天線陣列進行結構功能一體化設計的思路，該方法可有效解決狹小空間的安裝、陣面互聯性等問題。最后對設計結果進行了仿真分析，驗證了該方法的可行性，設計思路和方法可供同類產品參考和借鑒。

有源相控陣雷達；結構功能一體化；除濕模塊

引 言

隨著相控陣雷達集成度的不斷提高，陣面組件發(fā)熱功率越來越大，采用低溫冷卻液冷卻發(fā)熱單元逐漸成為雷達散熱的主要手段，但在高濕環(huán)境下，低溫冷卻液的使用容易引起陣面內空氣的凝露，從而造成電子設備的短路損壞等問題。同時，較高的相對濕度下易滋生霉菌，對電子設備造成腐蝕，從而導致設備的物理強度降低、機械性能發(fā)生變化等不利影響[1]。在天線陣面內安裝除濕模塊成為控制陣面內溫濕度環(huán)境的有效手段，可以同時解決陣面內空氣凝露和霉菌腐蝕兩大問題，但隨著天線陣面結構密度的提高，迫切需要一種能夠在狹小空間安裝、與天線陣面具有高互聯性、同時能夠克服陣面內部空氣流動阻力大等問題的除濕設備。

經過多年的發(fā)展，國內雷達行業(yè)在除濕方面已積累了多種有效的方法，其中以冷卻法除濕應用最為廣泛，根據不同的產品結構特點，冷卻法在具體實施中又分為壓縮機制冷、熱電制冷(熱端風冷)、熱電制冷(熱端獨立冷板冷卻)等等，文中根據不同型號的設計對各種方法進行以下對比分析：

(1)壓縮機制冷

該方法的優(yōu)點是制冷效率高、制冷量大，缺點是不能適應陣面的方位旋轉和俯仰動作，體積較大，同時集中制冷的方式無法保證陣面內溫濕度的均勻性。

(2)熱電制冷(熱端風冷)

該方法的優(yōu)點是采用了熱電制冷式，體積相對較小，可進行分布式安裝，缺點是熱端風冷的冷卻方式需要將除濕模塊安裝在艙壁上，不利于系統(tǒng)的整體設計，系統(tǒng)互聯性差。

(3)熱電制冷(熱端獨立冷板冷卻)

該方法的優(yōu)點是采用了熱電制冷式，較方法(2)熱端采用了內部冷板冷卻，解放了除濕模塊的安裝位置、一定程度上減小了除濕模塊的體積，但獨立冷板冷卻需要系統(tǒng)提供獨立的供液線路，系統(tǒng)互聯性差。

通過以上分析，本研究提出了一種將除濕模塊與天線陣列進行結構功能一體化設計的思路，該方法可有效解決狹小空間的安裝問題以及除濕模塊的熱、水和電與天線陣面的互聯問題，同時小體積和高互聯性更易于進行分布式安裝，從而解決了由于空氣流動阻力變大而引起的溫濕度不均勻問題[2]。

1 總體設計

基于結構功能一體化的設計思想，將陣面環(huán)控裝置除濕模塊與陣面基本單元天線陣列進行整體設計規(guī)劃，如圖1所示。傳統(tǒng)的天線陣列主要由各微波部件構成，結構接口總體可劃分為熱、水和電等，除濕模塊部件對外接口恰好也可歸為這3類接口，為一體化設計提供了可行性。

圖1 結構功能一體化設計規(guī)劃圖

依據圖1中的規(guī)劃設計方法，設計除濕模塊總體結構如圖2所示，將除濕模塊集成于陣列冷板上，實現了熱、水和電的高集成、高互聯。

圖2 結構功能一體化設計實例

1.1 熱設計

熱電制冷是一種應用廣泛的制冷方式，本研究采用該方式作為除濕模塊換熱器的核心。熱電制冷的關鍵部件是制冷片，制冷片也叫熱電半導體制冷組件，制冷片是由半導體所組成的一種冷卻裝置如圖3所示，半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P型材料電子足，有正溫差電勢；當電子從P型穿過結點至N型時，結點的溫度降低，其能量必然增加，增加的能量相當于結點所消耗的能量。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件聯結成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。電流方向從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，這是熱端[3]。

圖3 制冷片原理圖

熱電制冷除濕的過程如圖4所示，在通風機的作用下，待處理的濕空氣以一定流速掠過冷端吸熱面，濕空氣遇冷溫度下降，當溫度降至相應的露點溫度以下時，濕空氣中的水蒸汽在冷端吸熱面上凝結并沿換熱面流入排水口，含濕量已降低的低溫空氣由除濕模塊出風口排出，完成濕空氣的除濕過程。

圖4 除濕過程示意圖

熱電制冷的效率與冷端和熱端的溫差密切相關，且溫差越小效率越高，因此為獲得高的制冷效率需要對制冷器的熱端進行散熱設計[4]。目前常用的主要有風冷和液冷兩種方式，風冷因無需供冷卻液而結構簡單，但散熱效果不如液冷。本文采用液冷方式，且將制冷器的熱端緊貼天線陣列冷板放置，利用天線陣列的組件冷卻液為熱端散熱，該設計不僅解決了除濕模塊在天線陣面內的安裝位置問題，而且無需為除濕模塊提供單獨的散熱結構，使得整體結構趨于集成化、小型化。

1.2 水設計

除濕模塊除濕的過程就是不斷產生冷凝水的過程，冷凝水的排放方式對整個陣面的結構布局設計至關重要。常規(guī)冷凝水通常采用寶塔嘴出口連接軟管在陣面空間內進行傳遞，直至陣面框架對外的冷凝水出口。該方法使用的軟管在高密度的陣面結構中易與其他部件干涉，影響其他部件的安裝，且軟管易磨損、易老化、可靠性較低，寶塔嘴的連接方式互聯性差。

本研究將除濕模塊冷凝水出口直接集成至陣列冷板上，如圖5所示。在常規(guī)走冷卻液的冷板上設計冷凝水水道，將陣面內所有流體介質集成于冷板內部，在冷凝水出口處設計平面密封結構O型圈實現冷凝水在部件間的無泄漏傳遞。

圖5 冷凝水出水結構圖

在冷凝水水道末端設計快速接頭，如圖6所示，實現水路的快插快拔，提高了陣面系統(tǒng)的水路互聯性。

1.3 電設計

除濕模塊的電氣主要包括供電和控制兩類。供電主要為風扇和制冷片提供電源功能，控制主要用于控制風扇和制冷片的自動啟停、環(huán)境溫濕度參數等，無其他特有電特性的線路。因此，可將除濕模塊集成于天線陣列上的電總體連接器上，該方法可避免陣列之外的走線，電氣線路簡單可靠，提高了天線陣面的電氣互聯性。

圖6 天線陣列流體出口圖

2 詳細設計

在結構功能一體化設計思想的基礎上，本研究以某型號除濕模塊設計為例構建熱工計算模型，并完成相關分析計算。

2.1 設計要求

1)陣面采用密封性和隔熱性設計；

2)天線陣面使用環(huán)境：溫度55 ℃，相對濕度95%；

3)天線陣面空間：密閉空間，空氣體積0.3 m3；

4)除濕要求：工作穩(wěn)定后，環(huán)境溫度35 ℃時，相對濕度≤65%(冷卻供液溫度≤30 ℃)；

5)除濕速度：從55 ℃、95%降至35 ℃、65%所需時間≤0.5 h。

2.2 設計計算

除濕模塊工作的本質就是降低陣面內密閉空氣的露點溫度和相對濕度[5]，所以密閉空氣的露點溫度和相對濕度變化是設計計算的核心。根據總空氣體積，本研究采用兩端分布式安裝方法，在天線陣面兩端陣列上分別安裝除濕模塊，以提高陣面內的溫濕度均勻性。

(1)熱工模型

天線陣面為密閉結構，在空調工程中，濕空氣的狀態(tài)變化過程近似為定壓過程，且可忽略陣面空氣泄漏引起的熱交換；天線陣面采用隔熱設計，盡量減小外界環(huán)境對系統(tǒng)的溫濕度影響；基于以上分析，天線陣面熱量傳遞過程可近似為圍護結構，以陣面內密閉空氣為研究對象，根據能量守恒定律得：

q=qs+N

(1)

qs=(Q1+Q2-Q3+Q4)/t

(2)

式中：q為除濕模塊工作時系統(tǒng)的總功耗，kW；qs為熱電制冷片產生的制冷量，kW；N為制冷片工作時產生的熱功耗，kW；Q1為太陽輻射下通過天線框架和天線罩等傳入密閉空氣的熱量，kJ；Q2為周圍環(huán)境大氣以熱對流和熱傳導方式傳入密閉空氣的熱量，kJ；Q3為陣面內冷板等低溫零部件與密閉空氣的換熱量，kJ；Q4為陣面內空氣溫濕度狀態(tài)變化時所產生的熱量，kJ。

Q1和Q2一般根據工程經驗進行估算；陣面除濕過程中密閉空氣的露點溫度和冷板表面溫度均隨時間變化，露點溫度的下降速度高于冷板表面溫度的下降速度，因此結構件表面始終不會發(fā)生冷凝，但由于空氣溫度高于冷板溫度，所以將會有部分對流換熱的熱量傳入冷板，該部分熱量即為Q3，可根據陣面內結構布局進行近似估算；Q4根據始末態(tài)濕空氣焓值進行計算，如下：

Q4=M(h1-h2)

(3)

式中：M為濕空氣的流動質量，kg；h1和h2為除濕前后濕空氣的比焓，kJ/kg。

(2)出風溫度

要求工作穩(wěn)定后，環(huán)境溫度≤35 ℃，相對濕度≤65%。查得環(huán)境溫度35 ℃，相對濕度65%時，露點溫度為27.5 ℃，即要求出風溫度≤27.5 ℃。

(3)制冷量

除濕時間0.5 h內，太陽輻射傳熱和空氣對流傳熱熱量估算為130 kJ，陣面內冷板等低溫設備吸收熱量為100 kJ。

初始溫度55 ℃，相對濕度95%,查表得初始焓值為335.4 kJ/kg；目標溫度35 ℃，相對濕度65%，查表得目標焓值為95 kJ/kg；空氣體積0.15 m3，計算得焓差為43.3 kJ；由式(2)計算得功率為44 W，即要求制冷量≥44 W。

(4)制冷片選擇

制冷片的制冷量與制冷片冷熱端溫差溫度相關：當溫度為55℃時，經仿真計算制冷片冷熱端溫差為16 ℃，相應制冷功率為70 W；當溫度為35 ℃，經仿真計算制冷片冷熱端溫差為33 ℃，相應制冷功率為50 W。因此在35 ℃～55 ℃范圍內，除濕模塊制冷量均大于44 W，滿足設計要求。

(5)冷端換熱翅片設計

在除濕模塊換熱器冷端貼以鋁制肋片式散熱板，為降低接觸熱阻，在冷端面與散熱器之間加導熱硅脂，因翅片結構優(yōu)化設計不是本研究重點，限于篇幅本文此處不再贅述。

(6)熱端液冷散熱設計

本研究將制冷器的熱端緊貼天線陣列冷板放置，利用天線陣列的組件冷卻液為熱端散熱，制冷片消耗的電功耗為120 W，全部轉化為熱能，所以由式(1)可計算出系統(tǒng)熱端總發(fā)熱量為190～144 W，通過優(yōu)化冷板結構設計可將除濕模塊殼體底部溫度控制在38 ℃以下 。

3 仿真分析

仿真簡化模型如圖7所示，設定風機型號為RLF35，仿真計算后除濕模塊換熱器內空氣流動情況如圖8和圖9所示；工作穩(wěn)定后流體出風溫度為22.38 ℃，小于27.5 ℃，滿足設計要求；截面風速滿足要求，能夠將空氣吸入換熱器內進行濕熱交換，最終將空氣溫濕度調節(jié)到要求的環(huán)境條件。

圖7 仿真模型

圖8 截面溫度分布

圖9 截面風速

4 結束語

本研究基于高集成、高互聯和模塊化的設計思想，對有源相控陣雷達除濕模塊設計進行了深入研究，構建了一種將除濕模塊集成于天線陣列上以實現熱、水和電高度互聯的設計思路，實現了一種全新的除濕模塊布局和結構設計模式。

[1] 李莉, 戰(zhàn)棟棟, 錢吉裕. 大型相控陣雷達陣面環(huán)境控制仿真[J]. 電子機械工程, 2010, 26(5): 54-55, 58.

[2] 劉炳輝. 功能結構一體化技術在雷達結構設計中的應用[J]. 電子機械工程, 2013, 29(6): 40-44.

[3] 陳國平. 某遠程三坐標雷達熱控系統(tǒng)設計[D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

[4] 謝堃, 楊正平, 曹丹青, 等. 提高半導體冷卻除濕效率的探討[J]. 制冷, 2002, 21(1): 58-60.

[5] 張立志. 除濕技術[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004.

常文凱(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事相控陣雷達天線結構設計工作。

Research on Dehumidification Module Technology for Active Phased Array Radar

CHANG Wen-kai1，WANG Ye-wen1，HU Long-fei1，LIU Shao-wu1，LOU Kai-sheng2

(1.ShanghaiAerospaceTechnologyInstitute,Shanghai201109,China；2.NanjingACMECoolingSolutionsCo.,Ltd.,Nanjing211101,China)

With the continuous development of modern phased array radar, the density of the antenna array structure is getting higher which lead to less installation space of each components, larger airflow resistance of internal antenna array and higher demanding of interconnectivity among each components in the system. The traditional design taking dehumidification module as an independent module, which only takes dehumidification and mould proof into consideration, cannot adapt to the current development of radar. The present research proposed a design solution that integrated functional structure of dehumidification module and antenna array. This design can effectively solve the problem of narrow space installation and interconnection problem. At last, the simulated analysis proved the feasibility of this design that can be used for reference by similar products.

active phased array radar; structure function integration; dehumidification module

2016-09-10

TN958.92; TN82

A

1008-5300(2016)05-0012-04