基于模塊化設(shè)計(jì)的車載風(fēng)冷有源相控陣面結(jié)構(gòu)

李漢林，譚公禮，張興峰

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)因其卓越的性能廣泛應(yīng)用于車載、艦載、機(jī)載等各種平臺(tái)。因平臺(tái)特點(diǎn)的不同，在保證電氣性能的前提下，相控陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不盡相同。車載設(shè)備越來(lái)越強(qiáng)調(diào)高機(jī)動(dòng)性和靈活性，就車載陣面而言，筆者認(rèn)為其高機(jī)動(dòng)性主要體現(xiàn)在輕量化設(shè)計(jì)和維修性上。

陣面內(nèi)無(wú)源器件如天線單元等，其故障率很低，在前期完成測(cè)試、試驗(yàn)后基本無(wú)需維修；有源器件如T/R組件、組件電源等，出現(xiàn)故障的概率較高。將器件分類實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，不僅有利于陣面布置，且能大幅提高陣面維修性。熱設(shè)計(jì)是陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)之一，保證陣面內(nèi)部器件擁有適宜的工作環(huán)境是關(guān)鍵[1]。采用合適的散熱方式和設(shè)備不僅能更經(jīng)濟(jì)地解決散熱問(wèn)題，且能實(shí)現(xiàn)陣面輕量化設(shè)計(jì)。

針對(duì)風(fēng)冷陣面散熱問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量研究和優(yōu)化，劉衛(wèi)剛等人[2]對(duì)組件散熱風(fēng)道形式和散熱齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了散熱性能和均溫性；胡龍飛等人[3]提出了一種固定式風(fēng)道陣面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)冷陣面模塊化設(shè)計(jì)，提高了維修性；國(guó)外學(xué)者提出了一種可插拔的風(fēng)冷印刷電路板(PCB)模塊[4]，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)冷模塊的快速插拔。

本文針對(duì)某車載有源相控陣面提出了一種模塊化設(shè)計(jì)的強(qiáng)迫風(fēng)冷相控陣面結(jié)構(gòu)，并就其特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 設(shè)計(jì)思路

該陣面配套于小型車輛，常年暴露在復(fù)雜的環(huán)境中，整機(jī)重量需嚴(yán)格控制，陣面維修性要求很高，平均維修時(shí)間不高于30 min。

陣面總熱量約為2.5 kW，收發(fā)組件熱流密度為22 W/cm2，組件安裝表面溫度不高于75 ℃，且各T/R組件間溫差不大于5 ℃，陣面工作環(huán)境溫度為-43～50 ℃。

如圖1所示，GJB/Z27-92《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給出了根據(jù)熱流密度和溫升選擇冷卻的方法。本陣面宜采用液冷散熱，但整機(jī)重量及空間不允許，只能采用風(fēng)冷散熱，需設(shè)計(jì)合理的散熱結(jié)構(gòu)將廢熱帶出陣面并保證組件均溫性。

圖1 冷卻方法的選擇

陣面結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)是解決高機(jī)動(dòng)性和維修性問(wèn)題的關(guān)鍵。合理的模塊劃分和盲插互聯(lián)能有效減少陣面內(nèi)部線纜數(shù)量，降低線纜損耗，便于陣面排布，減小陣面體積和重量；模塊快速插拔能大幅降低維修難度，縮短維修時(shí)間。

經(jīng)分析，在上述設(shè)計(jì)邊界條件的約束范圍內(nèi)，梳理出陣面設(shè)計(jì)思路如下：

(1) 陣面采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式散熱，擴(kuò)大芯片散熱面積，以間接降低組件熱流密度。

(2) 為避免空氣中鹽霧、灰塵、水分等對(duì)陣面設(shè)備產(chǎn)生影響，將風(fēng)道與外部環(huán)境物理隔離。

(3) 將陣面內(nèi)組件劃分為有源器件和無(wú)源器件；無(wú)源器件一體化設(shè)計(jì)；有源器件以物理外形及互聯(lián)關(guān)系為基線，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

(4) 合理布置風(fēng)道和風(fēng)機(jī)，使流經(jīng)每個(gè)模塊的風(fēng)量大致相同，確保組件均溫性。

(5) 充分考慮風(fēng)道密封和快速插拔之間的矛盾，設(shè)計(jì)出合理可行的風(fēng)道密封形式。

(6) 利用陣面內(nèi)部空間布置風(fēng)道，不特別設(shè)計(jì)風(fēng)道，減輕陣面重量。

經(jīng)多輪結(jié)構(gòu)方案迭代優(yōu)化，最終確定陣面主要由天線罩、陣面框架、輻射單元、T/R組件集成模塊、風(fēng)機(jī)組合、空氣過(guò)濾器和其他結(jié)構(gòu)附件組成。陣面密封設(shè)計(jì)，所有外露壓接面均采用硅橡膠繩或硅橡膠板等密封件密封；輻射單元將天線單元、射頻擴(kuò)展組件等無(wú)源器件一體化設(shè)計(jì)；T/R組件集成模塊將T/R組件、組件電源、控制板等有源器件有機(jī)整合在一起；陣面框架與風(fēng)道一體化設(shè)計(jì)，支撐整個(gè)陣面，為模塊安裝和陣面指向提供精度保證；T/R組件集成模塊與輻射單元盲插互聯(lián)實(shí)現(xiàn)T/R組件與天線單元射頻連接和模塊間的電氣互聯(lián)；采用環(huán)境風(fēng)冷卻，所選風(fēng)機(jī)滿足相應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體布局

如圖2所示，陣面框架前端面安裝天線罩和輻射單元，輻射單元通過(guò)定位銷與陣面框架精確定位，保證天線孔徑電軸與理論機(jī)械軸指向一致；陣面框架2側(cè)安裝風(fēng)機(jī)組合1，中間位置安裝風(fēng)機(jī)組合2，分別對(duì)3個(gè)區(qū)域供風(fēng)；后端安裝維修門，打開(kāi)即可對(duì)陣面進(jìn)行維修；下端面安裝空氣過(guò)濾器，保證冷卻風(fēng)清潔。

圖2 陣面外形圖

集成模塊通過(guò)位于陣面框架內(nèi)導(dǎo)向槽裝入天線陣面內(nèi)，利用定位銷與輻射單元定位，保證連接器對(duì)接精度；射頻連接器、電連接器采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)(軸向和徑向均浮動(dòng))，浮動(dòng)量大于理論最大累計(jì)誤差，避免設(shè)備振動(dòng)、沖擊對(duì)射頻鏈路、控制鏈路穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.2 陣面框架

陣面框架為天線陣面提供支撐，為模塊安裝提供精度保證，并充分利用支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間作為散熱主風(fēng)道。如圖3所示，陣面框架整體鑄造成型，框架中部2處立柱及立柱間支撐柱設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，作為風(fēng)道的一部分；立柱、支撐柱、框架內(nèi)壁設(shè)置導(dǎo)向密封槽，其端面加工與模塊導(dǎo)向塊端面相匹配的楔形面，用于模塊安裝導(dǎo)向及風(fēng)道密封；框架下方設(shè)置進(jìn)風(fēng)口靜壓腔，兩側(cè)設(shè)置風(fēng)機(jī)組合1安裝面和出風(fēng)口靜壓腔，中間位置上腔體設(shè)置風(fēng)機(jī)組合2安裝面和出風(fēng)口靜壓腔。

圖3 陣面框架外形圖

2.3 輻射單元

輻射單元主要由框架、射頻擴(kuò)展組件和天線單元組成，如圖4所示?？蚣芮岸税惭b天線單元，后端安裝射頻擴(kuò)展組件。天線單元和射頻擴(kuò)展組件均通過(guò)定位銷與框架定位，保證安裝精度；射頻擴(kuò)展組件與天線單元件浮動(dòng)連接，在保證射頻信號(hào)穩(wěn)定前提下，避免設(shè)備振動(dòng)、沖擊對(duì)射頻鏈路穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖4 輻射單元外形圖

2.4 T/R組件集成模塊

T/R組件集成模塊將T/R組件、組件電源、控制板的有源器件有機(jī)集成在同一模塊內(nèi)，內(nèi)部模塊盲插互聯(lián)轉(zhuǎn)接，減少電纜損耗。模塊主要由盒體、T/R組件、組件電源、控制板定位銷、接插件等組成，如圖5所示。盒體內(nèi)部設(shè)置風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)設(shè)置散熱齒，保證散熱；T/R組件等器件貼裝在盒體內(nèi)腔體表面，器件安裝時(shí)接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂，降低其與盒體之間的熱阻；盒體兩側(cè)導(dǎo)向塊端面對(duì)稱加工楔形斜面，楔形斜面上粘貼密封墊片，用于模塊密封。

圖5 T/R組件集成模塊外形圖

3 熱設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)道布置

陣面熱設(shè)計(jì)不僅需將有源器件產(chǎn)生的廢熱帶出陣面，同時(shí)要保證T/R組件的均溫性。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，同一組件在溫差較大的情形下，其性能相差很大，嚴(yán)重影響陣面的電氣指標(biāo)。

為保證組件均溫性，本陣面將T/R組件集成模塊分為3組進(jìn)行獨(dú)立散熱。左側(cè)為一組，中間為一組，右側(cè)為一組。所有T/R組件集成模塊裝入陣面框架后，其內(nèi)部風(fēng)道與位于陣面框架內(nèi)的風(fēng)道形成散熱通道。冷卻風(fēng)從底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入陣面后，在風(fēng)機(jī)的作用下分為3路，分別流入3個(gè)散熱區(qū)域。冷卻風(fēng)從T/R組件集成模塊中間風(fēng)道流經(jīng)模塊對(duì)貼裝在模塊上的器件進(jìn)行散熱，風(fēng)道布置及冷卻風(fēng)流向示意如圖6所示。

圖6 陣面風(fēng)道布置

3.2 風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流平衡方程式，計(jì)算陣面所需風(fēng)量：

(1)

式中：Qv為風(fēng)道內(nèi)所需的通風(fēng)量；P為器件發(fā)熱量；Cp為空氣的比熱容；ρ為空氣的密度；Δt為進(jìn)出口的溫差。

考慮風(fēng)道流阻，在計(jì)算數(shù)值的基礎(chǔ)上增加2倍余量，左側(cè)所需的風(fēng)量為510 m3/h，中間所需的風(fēng)量為180 m3/h，右側(cè)所需的風(fēng)量為510 m3/h。

采用FloEFD軟件對(duì)陣面散熱進(jìn)行仿真，設(shè)置環(huán)境溫度為50 ℃。圖7為流場(chǎng)分布圖，可以看出，流經(jīng)各個(gè)模塊的風(fēng)較為均勻，風(fēng)道設(shè)計(jì)符合預(yù)期。溫度分布云圖如圖8所示，組件安裝面最高溫度為70.2 ℃，不同組件溫差在3 ℃以內(nèi)，符合預(yù)期。

圖7 流場(chǎng)分布圖

圖8 器件溫度云圖

3.3 風(fēng)道密封及防護(hù)

為解決T/R組件集成模塊快速插拔和風(fēng)道密封的矛盾，本陣面采取如下措施：在T/R組件集成模塊風(fēng)道兩側(cè)設(shè)置楔形口，楔形口端面粘貼密封墊片；陣面框架相應(yīng)的位置加工同角度的楔形面；通過(guò)塊安裝螺釘?shù)膲壕o力使模塊兩側(cè)密封墊片壓縮，填滿空隙，起到密封的效果。T/R組件集成模塊與陣面框架間的密封結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 T/R組件集成模塊風(fēng)道密封結(jié)構(gòu)

為避免環(huán)境中的沙礫、塵土、昆蟲等雜物進(jìn)入內(nèi)部風(fēng)道，附著在風(fēng)道內(nèi)部和散熱齒表面堵塞風(fēng)道影響散熱，本陣面在進(jìn)風(fēng)口位置安裝空氣過(guò)濾器，在風(fēng)機(jī)組合上安裝紗網(wǎng)，確保散熱風(fēng)道清潔。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從車載相控陣的實(shí)際需求和限制條件出發(fā)，將風(fēng)冷陣面進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；通過(guò)分區(qū)域供風(fēng)，解決了T/R組件均溫性問(wèn)題；采用“楔形配合面面+密封墊片”的結(jié)構(gòu)形式，解決了風(fēng)冷陣面T/R組件集成模塊快速插拔的問(wèn)題；采用盲插技術(shù)，減少互聯(lián)線纜數(shù)量，降低損耗，提高了陣面可靠性；風(fēng)道與陣面框架一體化設(shè)計(jì)，減少陣面的尺寸和重量。經(jīng)后期相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，為風(fēng)冷陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路。