一種小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體的散熱設(shè)計(jì)

韓文峰　文思釗　趙世杰　王少春

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司　武漢　430077)

0　引言

眾所周知，在設(shè)計(jì)相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)時，為了改善陣面骨架的受力狀況，滿足陣面剛強(qiáng)度的要求，往往利用設(shè)備箱作為陣面骨架的支撐體，雖然這樣能緩解板式結(jié)構(gòu)厚度尺寸與橫向剛度之間的問題，但是這樣也會使天線承受設(shè)備箱內(nèi)大量電子設(shè)備所附著的重量。這不僅給天線剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高的要求；而且由于存在著諸多制約因素，如電子設(shè)備發(fā)熱量較大，大量電纜線走線的需求，天線陣面尺寸的限制等，這勢必增加了天線艙體熱設(shè)計(jì)的難度。尤其是在高機(jī)動車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體熱設(shè)計(jì)中尤為突出。

雖然這類高機(jī)動車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)中T/R組件等大發(fā)熱量電子設(shè)備的數(shù)量相對較少，但是為了滿足車載和高機(jī)動性的要求就限制了天線艙體厚度和寬度，加之又是小陣面天線進(jìn)一步限制了天線艙體內(nèi)部空間的大小，從而進(jìn)一步加劇了這類天線艙體散熱設(shè)計(jì)的困難度。

本文介紹了一種高機(jī)動車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體散熱設(shè)計(jì)的過程、方法以及注意事項(xiàng)，并通過ICEPAK熱仿真軟件對其進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，最后通過實(shí)測驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過程與方法的正確性。

1　天線艙體

如圖1是某高機(jī)動車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1所示天線艙體的外形是一個“凹”字型連通艙，圖中的外形尺寸是根據(jù)該雷達(dá)高機(jī)動車載尺寸(含俯仰)限制的要求而設(shè)計(jì)確定的。艙體內(nèi)電子設(shè)備的布局是根據(jù)電子設(shè)備種類與數(shù)量、散熱的要求以及在雷達(dá)工作時達(dá)到“三心合一”的目的而設(shè)計(jì)確定的。

2　天線艙體熱設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)特別是有源天線陣面的熱設(shè)計(jì)一直以來都是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是設(shè)計(jì)出適合本雷達(dá)設(shè)備需求的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)要有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，不僅要高溫環(huán)境情況下能正常工作，而且要避免因環(huán)境變化和長期使用后由于積灰、污垢引起的流道阻力的增加，而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的失效[1]。此外，冷卻系統(tǒng)還應(yīng)具有良好維修性和性價比。

一般而言冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：冷卻方式、風(fēng)道/水路(含冷板)、冷卻設(shè)備的選擇等幾大部分。下面就本例詳細(xì)介紹天線艙體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

2.1　設(shè)計(jì)任務(wù)

圖1所示高頻柜中最重要的組成部分是T/R組件，每個組件平均發(fā)熱量為260W，總發(fā)熱量近4kW，組件電子器件表面最高的允許溫度為100℃；圖1所示電子柜中主要組成部分為電源模塊、功分等電子設(shè)備總發(fā)熱量約為800W。

設(shè)計(jì)任務(wù)：要求該雷達(dá)在最高環(huán)境溫度為60℃條件下能正常工作。

2.2　冷卻方式的選擇

電子設(shè)備冷卻形式主要有空氣冷卻、液體冷卻等冷卻形式[2]。本例中空氣的自然對流冷卻顯然達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，不予考慮。本例中若采用液體冷卻，一方面總發(fā)熱量相對較小，經(jīng)濟(jì)性較差，另一方面液體冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要的設(shè)計(jì)空間較大，這與小陣面雷達(dá)天線空間有限制相矛盾，故本例中采用的冷卻方式是強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

2.3　風(fēng)道設(shè)計(jì)

在強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)中除了風(fēng)量的計(jì)算、風(fēng)機(jī)的選型之外，風(fēng)道的設(shè)計(jì)就尤為關(guān)鍵。這是因?yàn)樵趶?qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)中都有專門的通風(fēng)管道，正確設(shè)計(jì)和安裝通風(fēng)管道對散熱效果有較大的影響。風(fēng)道設(shè)計(jì)時除了通過控制管道的長短、形狀等，來達(dá)到盡可能減小風(fēng)阻的目的外，還應(yīng)該重點(diǎn)注意風(fēng)道的密封問題，特別是在進(jìn)出風(fēng)口位置選擇上尤為關(guān)鍵[1]。以本例而言，從圖1中可知天線艙體的正面是天線陣面不可能布置進(jìn)出風(fēng)口，再則天線陣面的背面是艙體的兩個正門，雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)時一直朝上也不合適作為進(jìn)出風(fēng)口，所以本例中只能是艙體的底面和側(cè)面作為進(jìn)出風(fēng)口的位置。再考慮到風(fēng)道中的“風(fēng)短路”問題，就本例而言如果選擇底面作為進(jìn)風(fēng)口，側(cè)面作為出風(fēng)口，冷卻風(fēng)從底面進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入天線艙體后，會直接經(jīng)電子柜和高頻柜與艙體之間的空隙從出風(fēng)口出去，這樣就達(dá)不到散熱的效果。

此外，本例中高頻柜主要是用來承載多個T/R組件的，通常T/R組件的散熱都涉及到等量送風(fēng)的問題，一般而言解決這類問題常采用靜壓箱的方式。

2.3.1風(fēng)路設(shè)計(jì)

從上述的分析結(jié)合本例的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出圖2所示的風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

圖2主視圖(b)中位號1的進(jìn)風(fēng)口及位號2的軸流風(fēng)機(jī)①主要是為天線艙體中電子柜進(jìn)行散熱，冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過電子柜后，通過天線艙體連接通道流向左側(cè)的艙體內(nèi)，后經(jīng)T/R組件、靜壓箱，從離心風(fēng)機(jī)排出艙外；圖2主視圖(b)中位號6進(jìn)風(fēng)口及位號4的軸流風(fēng)機(jī)②主要是為天線艙體高頻柜進(jìn)行散熱，冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，經(jīng)過T/R組件、靜壓箱，從離心風(fēng)機(jī)排出艙外。

在此結(jié)構(gòu)中需要著重說明幾點(diǎn)：

1)從圖2可知艙體散熱的位號6進(jìn)風(fēng)口和位號5出風(fēng)口都在艙體的底面，這樣就需要防止“風(fēng)短路”的情況，為了防止這個問題發(fā)生，在設(shè)計(jì)時需要盡量拉開此進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位置距離；

2)從圖2可知位號6的進(jìn)風(fēng)口及進(jìn)風(fēng)通道是在艙體門板上加裝“π”型件來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)此“π”型件時其高度值一定要綜合來考慮，一方面高度過小進(jìn)風(fēng)量就小對散熱不利，另一方面要考慮到避免運(yùn)輸超高的問題及風(fēng)道過大使得風(fēng)壓過小也會對散熱不利；

3)圖2主視圖(b)中虛線的代表是一塊隔板，其控制著艙體內(nèi)左右兩艙相互連接的空間大小。該空間的大小，直接影響到電子柜的散熱效果，空間過小會風(fēng)阻大，降低風(fēng)速和風(fēng)壓；過大會導(dǎo)致冷空氣還沒有流經(jīng)全部的電子柜就流向左側(cè)艙體內(nèi)，出現(xiàn)“風(fēng)短路”的情況，所以設(shè)計(jì)該隔板位置一定要特別注意。

此外，圖2中位號8的靜壓箱是，用來解決T/R組件的散熱問題，那么如何在整個冷卻系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)靜壓箱等量送風(fēng)就是靜壓箱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2.3.2靜壓箱設(shè)計(jì)

靜壓箱為了實(shí)現(xiàn)等量送風(fēng)，可以通過調(diào)節(jié)通風(fēng)風(fēng)道截面或調(diào)節(jié)小艙(靜壓箱)入口處擋板上通風(fēng)孔大小來達(dá)到這一目的[3]?？紤]到保證靜壓箱的加工性、T/R組件模塊化及互換性通常會采用等通風(fēng)道截面變孔口的方法。即僅改變靜壓箱擋板上對應(yīng)每組T/R組件位置上的通風(fēng)小孔大小及數(shù)量來實(shí)現(xiàn)等量送風(fēng)。

設(shè)計(jì)依據(jù)主要是根據(jù)流體的能量方程式—佰努利方程[3]：

其中：Z—單位重量流體相對基準(zhǔn)面的高度，即位置水頭；

Hω—末狀態(tài)相對于初狀態(tài)增加的能量。

由于位能Z1、Z2的影響較小，在此忽略。若不計(jì)Hω，由于冷卻空氣從圖2位號6的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，到達(dá)A點(diǎn)位置(第一個T/R組件處)時動壓最大，到達(dá)B點(diǎn)位置(中間T/R組件處)時動壓逐漸變小，到達(dá)C點(diǎn)位置(最上個T/R組件處)時動壓最小，冷卻空氣流過位號9的T/R組件及位號8的靜壓箱后D點(diǎn)和F點(diǎn)位置相對動壓最小，E點(diǎn)位置動壓最大，即出風(fēng)口處中間動壓最大，向上向下逐漸變小。因此，對于靜壓箱ABED區(qū)域而言靜壓差ΔPAD>ΔPBE完全可以通過靜壓箱擋板DE段上對應(yīng)的小孔的大小及數(shù)量來調(diào)節(jié)風(fēng)阻Hω的大小，從而達(dá)到ΔPAD=ΔPBE的目的；而對于BCFE區(qū)域而言由于C點(diǎn)位置動壓最小所以不能得到ΔPCF>ΔPBE的關(guān)系，那么該區(qū)域是如何做到等通風(fēng)道截面變孔口法來實(shí)現(xiàn)等量送風(fēng)的呢？

最直接的辦法就是提高C點(diǎn)位置的動壓，讓BCFE區(qū)域達(dá)到與ABED區(qū)域相同的靜壓差條件。從圖2中可知，在艙體的右側(cè)上方增加位號3進(jìn)風(fēng)口以及位號4的軸流風(fēng)，這樣不僅能對從艙體右側(cè)流動過來的熱空氣進(jìn)行降溫，而且還會讓C點(diǎn)位置的動壓得到進(jìn)一步的提升。從而使得BCFE區(qū)域也能實(shí)現(xiàn)等通風(fēng)道截面變孔口法條件下的等量送風(fēng)。

以上就是本例中散熱設(shè)計(jì)的主要過程，然后經(jīng)公式計(jì)算出所需的風(fēng)量，選擇合適的風(fēng)機(jī)，就能完成整體熱設(shè)計(jì)的過程，那么該設(shè)計(jì)的是否可行，就需要對其進(jìn)行熱仿真分析。

3　熱仿真驗(yàn)證

ICEPAK是熱仿真分析中常用的軟件。本例熱設(shè)計(jì)方案也采用該軟件進(jìn)行仿真。將相關(guān)的邊界條件代入模型后，仿真結(jié)果如下：

從圖3(a)中可知對每個T/R組件流經(jīng)的風(fēng)速最大差異在10%以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了等量送風(fēng)；從圖3(b)中可知電子器件最大的表面溫度為82℃，完全滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。

4　工程化驗(yàn)證

有了熱設(shè)計(jì)仿真的良好結(jié)果，對天線艙體進(jìn)行工程化的實(shí)施，實(shí)施后對其進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。驗(yàn)證方式主要采用以下的方式：

(1)功率老練測試。測試表明T/R組件完全能正常工作，滿足實(shí)際的散熱要求；

(2)實(shí)測風(fēng)速?，F(xiàn)場對通過T/R組件的風(fēng)速進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測表明風(fēng)速最大處為5.5m/s，最小處為4.8m/s，平均風(fēng)速為5.1m/s完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

相控陣?yán)走_(dá)天線艙體的散熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文通過實(shí)際的工程案例，分析了天線艙體散熱設(shè)計(jì)的過程、關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了模擬仿真及工程化實(shí)測的雙重驗(yàn)證，得到了較滿意的結(jié)果，提供了一種高機(jī)動車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體的熱設(shè)計(jì)方法。

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