一種箱式便攜站天線的熱設(shè)計

高建海，韓桂梅，賈彥輝

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050081）

傳統(tǒng)便攜站天線外形笨拙、機(jī)動性差、安裝調(diào)試繁瑣費(fèi)時，從而制約了通信系統(tǒng)發(fā)展的步伐。雖然實現(xiàn)天線的高性能仍是目前衛(wèi)星通信便攜站市場的主流趨勢，但是由于國內(nèi)外各大公司激烈的競爭，對便攜站天線的外形、重量及體積也提出了更高的需求。

箱式便攜站就是在激烈的市場競爭中應(yīng)運(yùn)而生的一款產(chǎn)品，具有便于攜帶、展開迅速、傳輸速率高、外型美觀等特點。但是緊湊的結(jié)構(gòu)勢必給散熱帶來一定困難，因此必須對其進(jìn)行熱設(shè)計。箱式便攜站的熱設(shè)計是指對其內(nèi)部各功能單元采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以對它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證便攜站系統(tǒng)正常、可靠地工作［1］。

1 箱式便攜站的組成及內(nèi)部布局

該箱式便攜站系統(tǒng)主要由天線反射面、饋源及支撐、天線座架［2］、天線伺服單元、功放單元、LNA單元、變頻單元、調(diào)制解調(diào)單元、IP接入單元、電源等構(gòu)成。

該箱式便攜站在結(jié)構(gòu)上分為箱蓋及主箱體兩大部分。天線收藏時，天線反射面、饋源及支撐會向下轉(zhuǎn)動收藏于箱蓋與主箱體之間的空間內(nèi)。天線座架、天線伺服單元、功放單元以及其他功能單元均安裝在主箱體內(nèi)。箱式便攜站收藏狀態(tài)下的整體外觀，如圖1所示；箱式便攜站工作狀態(tài)下的整體外觀，如圖2所示。

圖1 箱式便攜站收藏狀態(tài)外觀圖

圖2 箱式便攜站工作狀態(tài)外觀圖

由于功能單元數(shù)量較多，且便攜站主箱體內(nèi)的空間又比較緊湊，根據(jù)各功能單元在功能上的關(guān)系，對其進(jìn)行了合理的空間布局，且局部采用了上下兩層的結(jié)構(gòu)形式（在調(diào)制解調(diào)單元的下面安裝有天線伺服單元及變頻單元）。主箱體內(nèi)部布局，如圖3所示。

圖3 主箱體內(nèi)部布局

2 散熱問題及散熱設(shè)計

為了減輕重量達(dá)到單人便攜的目的，便攜站的整個主體外殼采用工程塑料加工而成。各功能單元自身在工作時都會散發(fā)大量熱量，且各功能單元又都有相應(yīng)的工作溫度范圍，當(dāng)箱體內(nèi)的環(huán)境溫度超出任何一個功能單元的工作溫度上限時便會影響整個便攜站系統(tǒng)的性能。由于工程塑料的熱傳導(dǎo)率較低，不利于主箱體內(nèi)部熱量向外界環(huán)境的傳遞，因此，箱式便攜站主箱體的散熱設(shè)計就成了一個重中之重的問題。

散熱形式主要分為：自然散熱（熱傳導(dǎo)）、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻等。目前應(yīng)用普遍的散熱方式仍是自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷。根據(jù)不同的散熱原理，對主箱體的散熱設(shè)計主要有以下三個方面：

1）為主箱體底部設(shè)計特制散熱片，提高自然散熱的效率。

各功能單元都安裝在主箱體的底板上，如果底板與主箱體采用同樣的工程塑料加工而成，由于塑料較低的熱傳導(dǎo)率，自然散熱的效率會很低。因此，需要為各功能單元特制一塊散熱片。首先，綜合考慮散熱效率、總體重量、方便各功能單元的安裝等因素，散熱片的材質(zhì)選擇了鋁合金材料。其次，對散熱片的基材厚度、齒片厚度、齒片間距、齒片高度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定了最終的散熱片形式。主箱體底部散熱片，如圖4所示。

圖4 主箱體底部散熱片

2）設(shè)計安裝風(fēng)扇，對主箱體內(nèi)部各功能單元進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

風(fēng)扇的選擇首先需要確定系統(tǒng)所需的散熱風(fēng)量，可由式（1）計算而得。

式中：Q——實際所需的風(fēng)量，m3/h；

P——系統(tǒng)總的熱耗，W；

Δt——空氣的溫升，℃；

ρ——空氣密度，kg/m3；

CP——空氣的定壓比熱，J/kg·℃。

強(qiáng)迫風(fēng)冷形式，風(fēng)道一般分為送風(fēng)和抽風(fēng)兩種方式，送風(fēng)方式會在風(fēng)口形成空氣紊流，適合熱量比較集中的情況，且風(fēng)扇的安裝方向最好對著熱源；抽風(fēng)方式適合熱量分布比較均勻的情況。

考慮到箱式便攜站主要的發(fā)熱功能單元集中在主箱體的前端，因此強(qiáng)迫風(fēng)冷采取了送風(fēng)的方式。在主箱體的前端安裝兩個風(fēng)扇對著發(fā)熱功能單元向箱體內(nèi)吹風(fēng)，后端安裝一個風(fēng)扇向箱體外抽風(fēng)，形成一個內(nèi)外循環(huán)的風(fēng)道系統(tǒng)。風(fēng)扇的安裝位置，如圖3、圖5所示。

圖5 風(fēng)扇的安裝位置

3）選用低功耗器件。在滿足各功能單元要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計降低整機(jī)功耗，減少各功能單元自身在工作時的發(fā)熱量。

3 散熱仿真分析

Icepak是一款強(qiáng)大的CAE仿真工具，是對電子產(chǎn)品進(jìn)行散熱分析的專業(yè)軟件。Icepak利用的是FLUENT計算流體力學(xué)求解引擎，其多點離散求解算法能夠加速求解時間。

3.1 仿真輸入條件

對箱式便攜站主箱體進(jìn)行熱分析的具體輸入條件如下：環(huán)境溫度設(shè)為＋55℃，太陽輻射強(qiáng)度設(shè)為880W/m2，箱體外表面噴白漆，機(jī)箱內(nèi)各模塊殼體溫度不超過＋75℃。其主要熱源統(tǒng)計，如表1所示。

表1 主要熱源統(tǒng)計表

圖6 熱仿真模型

3.2 仿真建模

利用Icepak軟件，根據(jù)上述輸入條件建立熱仿真模型。熱仿真模型，如圖6所示。

3.3 仿真結(jié)果

通過仿真計算，各熱源殼體溫度結(jié)果，如表2所示。溫度分布圖，如圖7所示。

表2 主便攜站各熱源溫度分布表

圖7 便攜站各模塊熱源溫度分布圖

由仿真結(jié)果可以看出，各模塊殼體溫度均小于＋75℃，滿足熱可靠性要求，能夠保證箱式便攜站系統(tǒng)正常工作。

5 結(jié)論

（1）介紹了目前便攜站天線系統(tǒng)的發(fā)展方向，設(shè)計出了一款方便攜帶、展開迅速、傳輸速率高、外型美觀的箱式便攜站；（2）介紹了箱式便攜站的設(shè)計重點即散熱設(shè)計，并且通過Icepak軟件進(jìn)行了熱仿真分析；（3）該箱式便攜站已經(jīng)在多個工程中得到了成功的應(yīng)用，無論是性能還是外觀都是同類產(chǎn)品中的佼佼者。

［1］余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.