風(fēng)冷大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

謝金祥，黃小偉，朱 斌，李 莉

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

發(fā)射機(jī)是雷達(dá)的“心臟”，其性能的好壞直接影響到雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量[1]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅會(huì)影響發(fā)射機(jī)的可靠性，還會(huì)直接影響用戶(hù)的使用體驗(yàn)。目前，對(duì)大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究局限在不同平臺(tái)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)兩方面[2-3]，對(duì)由連接器選型不合理或饋電結(jié)構(gòu)連接不可靠造成的打火、電磁泄露等影響設(shè)備可靠性的問(wèn)題研究較少。另外，固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程中人員介入程度深，常規(guī)風(fēng)冷裝置需要頻繁除塵，工作量大，加之風(fēng)冷設(shè)備的噪聲問(wèn)題，用戶(hù)體驗(yàn)不佳。本文針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，提出解決方案，提高了設(shè)備的可靠性，提升了用戶(hù)體驗(yàn)。

1 總體方案

如圖1所示，典型的大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)將輸入的小功率射頻信號(hào)經(jīng)多級(jí)放大鏈路放大，然后通過(guò)分配合成網(wǎng)絡(luò)合成大功率射頻信號(hào)輸出。電源系統(tǒng)為發(fā)射機(jī)提供能量輸入，控制與保護(hù)電路控制發(fā)射機(jī)的工作并實(shí)行健康監(jiān)測(cè)，提供過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)。

圖1 典型大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框圖

發(fā)射機(jī)的布局遵循模塊化、便于維修和美觀大方的原則。功放與分配器、合成器之間的連線(xiàn)有等長(zhǎng)要求，因此盡可能將分配器、合成器布置在功放模塊的中心位置。電源模塊的布置以方便與功放模塊之間的走線(xiàn)為原則。某大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)布局如圖2所示，根據(jù)雷達(dá)服役期間三級(jí)維修體制要求[4]，將數(shù)量較多、只能單向維修且需要頻繁更換的末級(jí)功放組件和電源模塊設(shè)計(jì)成應(yīng)用盲插技術(shù)的快速插拔模塊。

圖2 某大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)布局圖

功率管的選擇是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，優(yōu)先選用最高結(jié)溫大、結(jié)殼熱阻低、效率高、熱穩(wěn)定性好和性?xún)r(jià)比高的功率管。表1中某廠商的兩種輸出功率大小不同的功率管在相同使用條件下的效率基本一致，大功率管型的熱流密度是小功率管型的2.4倍左右，這將給系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)極大壓力。因此，圖2的末級(jí)功放中采用3個(gè)小功率管合成大功率輸出，以降低熱設(shè)計(jì)難度。

表1 某廠商兩種管型功率管指標(biāo)對(duì)比

2 大功率互聯(lián)

發(fā)射機(jī)內(nèi)部分配合成網(wǎng)絡(luò)與放大鏈路之間存在多級(jí)大功率互聯(lián)環(huán)節(jié)，其中射頻同軸連接器在傳輸大功率時(shí)，既承受高電壓，也有大電流通過(guò)。如果選用不當(dāng)，會(huì)造成擊穿、打火、過(guò)熱、電磁干擾等故障。因此，從峰值功率、平均功率和屏蔽效能三方面進(jìn)行大功率射頻連接器選型。

2.1 峰值功率與平均功率

同軸連接器所能傳輸?shù)臉O限峰值功率Pmax可以用公式（1）進(jìn)行估算。

式中，A為常數(shù)。可見(jiàn)，連接器的極限峰值功率與內(nèi)導(dǎo)體尺寸、介質(zhì)尺寸、介質(zhì)的材料特性以及頻率應(yīng)用范圍相關(guān)。當(dāng)單元電路的特性阻抗一定時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體直徑越大，介質(zhì)的抗電強(qiáng)度越大，連接器的極限峰值功率就越大。在內(nèi)導(dǎo)體與介質(zhì)一定的情況下，連接器承受的最大功率隨信號(hào)頻率的升高而降低。在脈沖大功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用中，脈沖很短，信號(hào)瞬時(shí)功率大，互聯(lián)主要考慮峰值功率。

連接器傳輸?shù)钠骄β蔖av是峰值功率Pmax與占空比d的乘積：

連續(xù)波發(fā)射機(jī)的互聯(lián)著重考慮平均功率。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇散熱條件好、耐高溫、接觸電阻小、接觸件彈性好、接觸可靠性高以及電壓駐波比低的連接器[5]。如果連接器傳輸?shù)钠骄β蔬^(guò)大，且散熱條件欠佳，就易出現(xiàn)內(nèi)部過(guò)熱，導(dǎo)致介質(zhì)和接觸件變形，從而影響電性能，甚至?xí)l(fā)生內(nèi)、外導(dǎo)體間的短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀連接器。

2.2 屏蔽效能

一般用屏蔽效能S來(lái)度量連接器的屏蔽性能，用分貝（dB）計(jì)量：

式中：E0（或H0）表示無(wú)屏蔽體時(shí)空間某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（或磁場(chǎng)強(qiáng)度）；E1（或H1）表示有屏蔽體時(shí)空間該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（或磁場(chǎng)強(qiáng)度）。

常用的螺紋擰緊式SMA（Sub-Miniature A）連接器與盲配型BMA（Blind-Mate A）連接器的使用頻率范圍及耐功率水平相當(dāng)，內(nèi)導(dǎo)體接觸件的外徑均為0.9 mm。兩型連接器在2～3 GHz頻率范圍內(nèi)采用模式攪拌法[6]實(shí)驗(yàn)測(cè)得的屏蔽效能見(jiàn)表2。

表2 兩型連接器屏蔽效能對(duì)比

由表2 可見(jiàn)，盲配型BMA 連接器的屏蔽效能明顯低于螺紋擰緊式SMA 連接器?？傮w而言，在2～3 GHz頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的升高，連接器的屏蔽效能有所降低。同時(shí)，屏蔽效能一定，功率越大，泄露功率的絕對(duì)值也越大。如果射頻同軸連接器的泄露過(guò)大，傳輸信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真、相互干擾等問(wèn)題，進(jìn)而影響系統(tǒng)電性能。

圖2所示的發(fā)射機(jī)采用低頻段連續(xù)波工作模式，快速插拔模塊末級(jí)功放低功率輸入選用BMA盲配型連接器，大功率輸出選用G9盲配型連接器，因盲配型連接器的屏蔽效能相對(duì)較低，額外的電磁防護(hù)措施仍有必要。

3 電磁防護(hù)

影響大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)電磁兼容特性的主要因素包括功放模塊的腔體效應(yīng)、孔隙泄露、傳輸線(xiàn)路的不連續(xù)性以及通道間耦合等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，從空域和能域兩個(gè)維度進(jìn)行電磁防護(hù)。

空域防護(hù)就是采用空間分離或空間隔離措施實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，避免發(fā)射機(jī)與其他電子設(shè)備相互干擾。常用的電磁屏蔽材料有導(dǎo)電材料、金屬簧片、金屬絲網(wǎng)、通風(fēng)波導(dǎo)窗等，如圖3所示。金屬接觸面之間的縫隙采用導(dǎo)電材料（導(dǎo)電襯墊、導(dǎo)電膠條、導(dǎo)電膠、導(dǎo)電涂料等）填充；在機(jī)箱、機(jī)柜的門(mén)中采用金屬簧片能保證開(kāi)合結(jié)構(gòu)中的電連續(xù)；通風(fēng)口處安裝屏蔽波導(dǎo)窗可以提升開(kāi)式結(jié)構(gòu)的屏蔽效能；采用屏蔽護(hù)套包裹電纜，提高電纜抗干擾能力。

圖3 常用的電磁屏蔽材料

能域防護(hù)就是采用吸波材料對(duì)投射到表面的電磁波通過(guò)電損耗、磁損耗或介電損耗來(lái)消耗電磁波能量而不反射，從而阻止有害能量進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。吸波材料可以制成尖劈狀、平板、液態(tài)膠、涂層等多種不同的形態(tài)。平板形的吸波材料直接粘貼在金屬板上；液態(tài)吸波膠水應(yīng)用于形狀不規(guī)則空間和小孔填充；吸波涂層應(yīng)用在大面積的結(jié)構(gòu)表面；復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)可定制注塑的吸波材料。

4 大電流饋電

大功率發(fā)射機(jī)饋電所傳導(dǎo)的電流往往高達(dá)幾百安培，一般需多個(gè)電源并聯(lián)使用。饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又受空間、環(huán)境等因素的限制，一旦結(jié)構(gòu)不合理，連接不可靠，就易發(fā)生饋電打火，甚至燒毀饋電。

大電流饋電的匯流條常使用導(dǎo)電率優(yōu)良的金屬如黃銅、紫銅等材料制成，以期達(dá)到均流效果，并減少直流饋電的壓降。當(dāng)匯流條的安裝空間受限時(shí)，采用導(dǎo)體和絕緣體相間安裝的層疊式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。匯流條結(jié)構(gòu)形態(tài)與截面參數(shù)的設(shè)計(jì)著重考慮其傳輸路徑上的阻抗（電阻、電容、電感）、溫升、電磁兼容特性以及可靠性等因素[7]。

圖4 層疊式匯流條結(jié)構(gòu)示意圖

從設(shè)備和人身安全性考慮，匯流條外表面采用具有高電阻和阻燃特性的環(huán)氧、聚氯乙烯或有機(jī)硅化合物等絕緣材料包裹。

常規(guī)匯流條為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用銅板折彎或銑削加工成型。當(dāng)匯流條為復(fù)雜構(gòu)型時(shí)，需要拆分成幾個(gè)簡(jiǎn)單構(gòu)型零件，再用螺栓連接成型，以降低加工成本。如果連接部位的螺栓未完全緊固或因振動(dòng)而松動(dòng)，往往會(huì)發(fā)生匯流條打火，引發(fā)故障。

當(dāng)匯流條的兩個(gè)連接部位位置誤差較大，或者需要在固定件與移動(dòng)件之間進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，需要采用柔性連接。常用的柔性連接包括電纜組件、軟母線(xiàn)、金屬編織帶、柔性印制板等，其成型方法與特性如表3所示。

表3 不同柔性連接方式對(duì)比

5 抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)

5.1 熱設(shè)計(jì)

風(fēng)冷大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是選擇合理的風(fēng)機(jī)，優(yōu)化風(fēng)道及冷板結(jié)構(gòu)，將發(fā)射機(jī)工作中的損耗熱量帶走，達(dá)到降低功率管結(jié)溫的目的。

以圖2所示的發(fā)射機(jī)為例，發(fā)熱量主要集中在12 個(gè)末級(jí)功放內(nèi)，每個(gè)末級(jí)功放選用一只PAPST 6314/2TDHP型軸流風(fēng)機(jī)直接提供冷卻風(fēng)，機(jī)柜頂部后方安裝一臺(tái)R6D 450-AN01-01型離心風(fēng)機(jī)，用于把機(jī)柜內(nèi)的熱風(fēng)排出艙外。單個(gè)末級(jí)功放內(nèi)安裝有3個(gè)功率管，功率管焊接在銅板上，銅板通過(guò)螺釘與帶翅片的風(fēng)冷冷板連接。功率管熱傳導(dǎo)路徑如圖5所示。

圖5 功率管傳熱途徑

功率管熱耗為200 W，結(jié)殼熱阻為0.2°C/W，按晶體管III級(jí)降額要求，功率管結(jié)溫應(yīng)不超過(guò)160°C，則殼溫≤結(jié)溫?熱耗×結(jié)熱阻=160?200×0.2=120°C。

仿真分析的邊界條件如下：供風(fēng)溫度為50°C，工作環(huán)境溫度為50°C，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，冷板選用6063鋁為基板，基板厚5 mm，冷板上焊接高22 mm，厚0.3 mm，間距2.9 mm的鋸齒型翅片。單只功率管熱耗為200 W，功率管尺寸為34.1 mm×9.9 mm，熱流密度為59.2 W/cm2，功率管和銅板的焊接熱阻設(shè)為0.05 (cm2·°C)/W，銅板與冷板的接觸熱阻（采用導(dǎo)熱硅脂）設(shè)為2(cm2·°C)/W。

圖6中的仿真結(jié)果表明，功放組件風(fēng)冷冷板進(jìn)出口的壓損約為107 Pa，考慮實(shí)際組件內(nèi)其他結(jié)構(gòu)件的遮擋作用以及風(fēng)道內(nèi)的壓力損失，實(shí)際壓降按200 Pa計(jì)。風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量為400 m3/h時(shí)，壓頭為220 Pa，滿(mǎn)足使用要求。在供風(fēng)溫度為50°C時(shí)，功率管殼溫最高為109°C，小于120°C，滿(mǎn)足器件的最高工作溫度要求。

圖6 某發(fā)射機(jī)熱設(shè)計(jì)的仿真分析

5.2 除塵設(shè)計(jì)

在大功率發(fā)射機(jī)中，調(diào)制管、濾波器、磁芯、線(xiàn)圈、線(xiàn)纜等發(fā)熱器件的外形不平整，一般不易將熱量傳導(dǎo)至常規(guī)散熱器上進(jìn)行冷卻。含此類(lèi)器件的單元常采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，利用通風(fēng)機(jī)直接抽取外界空氣冷卻其表面。這種發(fā)射機(jī)對(duì)外圍環(huán)境的空氣潔凈度和濕度要求極高。如果環(huán)境空氣質(zhì)量較差，大量粉塵、毛絮、蚊蟲(chóng)等會(huì)被通風(fēng)機(jī)直接送入發(fā)射機(jī)內(nèi)部，污染發(fā)射機(jī)內(nèi)部的印制板、集成電路等。大量的粉塵附著在印制板和電訊器件上，不僅會(huì)影響設(shè)備的散熱性能，而且會(huì)因粉塵中攜帶的潮氣、金屬粉末等附著在器件的引腳上，造成積塵部位絕緣度下降，進(jìn)而導(dǎo)致電路短路或者器件被擊穿，大大降低了發(fā)射機(jī)的可靠性。因此，必須采取相應(yīng)的除塵措施，以改善工作環(huán)境，從而提高發(fā)射機(jī)的可靠性。

如圖7所示，風(fēng)冷固態(tài)發(fā)射機(jī)可以采用串接除塵器和封閉式環(huán)控兩種方法進(jìn)行除塵。

圖7 發(fā)射機(jī)除塵示意圖

5.2.1 串接除塵器除塵

常規(guī)開(kāi)放式風(fēng)冷發(fā)射機(jī)直接與外部環(huán)境進(jìn)行穿透式熱循環(huán)。因此，在外界新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房前，采用除塵器自動(dòng)高效過(guò)濾、除塵，阻止外界的灰塵、毛絮、蚊蟲(chóng)等進(jìn)入發(fā)射機(jī)房?jī)?nèi)部，從而達(dá)到凈化機(jī)房的目的，避免發(fā)射機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)積塵。圖7（a）所示的開(kāi)放式風(fēng)冷不需要考慮制冷，成本相對(duì)較低，實(shí)施簡(jiǎn)便。只要選擇合適的除塵器，便能夠以較小的代價(jià)滿(mǎn)足機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境潔凈度要求，解決大功率發(fā)射機(jī)的除塵問(wèn)題。常用的除塵器有過(guò)濾式除塵器、靜電除塵器、機(jī)械式除塵器、濕式除塵器等[8]。文獻(xiàn)[9]采用袋式除塵和水洗風(fēng)除塵的多級(jí)除塵模式解決了惡劣環(huán)境條件下風(fēng)冷式全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)的除塵問(wèn)題。

5.2.2 封閉環(huán)控除塵

封閉環(huán)控風(fēng)冷采用空調(diào)設(shè)備為發(fā)射機(jī)機(jī)房提供環(huán)控冷風(fēng)，維持機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度在合理范圍內(nèi)。發(fā)射機(jī)與機(jī)房?jī)?nèi)的冷空氣進(jìn)行熱交換，發(fā)射機(jī)的熱量通過(guò)空調(diào)室外機(jī)最終耗散到外界大氣中，如圖7（b）所示。在這種方案中，發(fā)射機(jī)不直接與外界惡劣環(huán)境進(jìn)行熱交換，因此室內(nèi)環(huán)境相對(duì)潔凈，發(fā)射機(jī)內(nèi)積塵較少。

封閉環(huán)控風(fēng)冷可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)防塵，除塵效果好。但是，封閉環(huán)控的冷卻方式需要同步考慮制冷量，硬件成本高，耗電量大，運(yùn)行成本高，而且存在室內(nèi)設(shè)備體積大和工作噪聲大的缺點(diǎn)。

5.3 降噪設(shè)計(jì)

大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)熱流密度大、熱耗高，內(nèi)部需要的風(fēng)機(jī)數(shù)量多、噪聲大，根據(jù)SJ 20134—1992《軍用電子設(shè)備噪聲控制要求》，室內(nèi)側(cè)工作噪聲應(yīng)不大于75 dB(A)。圖1所示的發(fā)射機(jī)在未采取特別措施的情況下，在發(fā)射機(jī)前側(cè)1 m處，采用噪聲儀測(cè)得的噪聲為84 dB(A)，調(diào)試和維修人員的舒適性差，甚至可能危害人員的身心健康。

從風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理來(lái)說(shuō)，噪聲主要包括空氣動(dòng)力噪聲和機(jī)械噪聲?？諝鈩?dòng)力噪聲既有風(fēng)機(jī)葉片周期性打擊周?chē)諝舛a(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲，也包括葉片出口處的邊界層分離脫流而造成的渦流噪聲；而機(jī)械噪聲主要由風(fēng)機(jī)制造和安裝過(guò)程中的缺陷（如風(fēng)道和安裝支座的振動(dòng)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡等）引起。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取的對(duì)應(yīng)措施包括：選用可調(diào)速的風(fēng)機(jī)，在滿(mǎn)足冷卻需求的條件下，根據(jù)不同工況動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)速，可降低非滿(mǎn)功率工況下的設(shè)備噪聲；在進(jìn)出風(fēng)口增加整流罩，減弱由空氣不均勻引起的空氣動(dòng)力噪聲；在發(fā)射機(jī)柜、風(fēng)機(jī)與基座之間安裝阻尼減震器以減弱風(fēng)機(jī)振源傳遞給機(jī)柜的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

在聲傳播過(guò)程中綜合運(yùn)用吸聲和消聲進(jìn)行降噪，主要措施是在發(fā)射機(jī)進(jìn)出風(fēng)口安裝消聲器，在發(fā)射機(jī)機(jī)柜內(nèi)壁粘貼吸音棉。消聲器采用小孔消聲器，其原理是當(dāng)氣流以相同流速向出口排放時(shí)，出口直徑越小，產(chǎn)生的噪聲頻率越高。某吸音棉不同厚度的聲吸收性能如圖8所示，噪聲頻率越高，聲吸收性能越優(yōu)。消聲器和吸音棉的綜合應(yīng)用使降噪效果達(dá)到最佳。

圖8 某吸音棉性能

采取上述措施后，在發(fā)射機(jī)前側(cè)1 m處，采用噪聲儀測(cè)得的噪聲降為71 dB(A)。同時(shí)從聲接收者角度進(jìn)行保護(hù)，發(fā)射機(jī)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，設(shè)置監(jiān)控區(qū)和設(shè)備區(qū)，監(jiān)控區(qū)與設(shè)備區(qū)之間采用墻、板等進(jìn)行聲隔離，使設(shè)備調(diào)試和使用人員盡可能遠(yuǎn)離噪聲源，從而提升用戶(hù)體驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)集成化、小型化、輕量化等要求在逐步提高，影響風(fēng)冷大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的因素必然日趨復(fù)雜。本文提出的方法和措施解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的部分問(wèn)題，但仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)值得研究。例如，大功率合成器與功放組件一體化設(shè)計(jì)可以改善電性能并減小系統(tǒng)體積。深入研究大功率盲插、波導(dǎo)盲插、垂直互聯(lián)等技術(shù)有助于解決大功率發(fā)射機(jī)一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)集成化、小型化和輕量化設(shè)計(jì)大有裨益。此外，大功率發(fā)射機(jī)采用的冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓頭一般較大，風(fēng)機(jī)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)干擾。當(dāng)零件的固有頻率與激振頻率相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，可能破壞調(diào)諧電感等振動(dòng)敏感器件的工作狀態(tài)，從而影響發(fā)射機(jī)的性能，這在工程應(yīng)用中也需加以充分考慮。