有源相控陣?yán)走_(dá)TR組件參數(shù)化熱設(shè)計(jì)

劉繼鵬 蘇力爭(zhēng) 胡凱博 胡耀輝 趙曉東 光凱惠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)是一種以改變雷達(dá)波相位來改變波束方向的雷達(dá)，以其波束轉(zhuǎn)換的靈活性、多功能、抗干擾和高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)成為了雷達(dá)領(lǐng)域目前最主要的發(fā)展方向。但是要提高有源相控陣?yán)走_(dá)作用距離，一方面需要提高天線陣面的功率口徑積，增加固態(tài)收發(fā)組件(T/R模塊)的數(shù)量，另一方面還需要提高單個(gè)T/R組件的功率，使得有源陣面內(nèi)的組裝密度和熱功率密度都很高，這給雷達(dá)冷卻系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高效、可靠的熱控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)是相控陣?yán)走_(dá)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1～2]。

相控陣?yán)走_(dá)熱控制系統(tǒng)的研制過程中，需要對(duì)組件內(nèi)溫度場(chǎng)、陣面內(nèi)的流場(chǎng)等進(jìn)行必要的仿真分析，作為產(chǎn)品論證分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。特別對(duì)于大型相控陣?yán)走_(dá)，通過仿真得到其流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布，將對(duì)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。如何建立一套有效的快速熱設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)來減少設(shè)計(jì)失誤，增加熱設(shè)計(jì)可靠性，以及對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而有效縮短產(chǎn)品的研制周期，減少設(shè)計(jì)中的反復(fù)和研制風(fēng)險(xiǎn)，成為有源相控陣?yán)走_(dá)熱設(shè)計(jì)的研究方向[3～4]。

1 目前有源相控陣?yán)走_(dá)熱設(shè)計(jì)的問題

Flotherm作為電子熱仿真分析軟件，在雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用于熱仿真分析以解決雷達(dá)結(jié)構(gòu)的散熱問題[5]。Flotherm在有源相控陣?yán)走_(dá)熱仿真分析存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)小批多型，仿真工作量大。需要將雷達(dá)電子結(jié)構(gòu)中典型結(jié)構(gòu)形式共性的幾何參數(shù)來直接生成Flotherm熱仿真分析模型，避免在Flotherm中簡(jiǎn)單重復(fù)構(gòu)造熱仿真分析模型。

2)研制周期短。需要通過對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)熱仿真分析模型進(jìn)行多次參數(shù)化仿真分析來快速尋找合理散熱方案，縮短熱設(shè)計(jì)時(shí)間。

3)仿真界面不友好。需要提供普通設(shè)計(jì)師一個(gè)友好的界面，通過雷達(dá)電子結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)化設(shè)計(jì)和熱仿真，以便對(duì)設(shè)計(jì)方案做出初步預(yù)估。

由于有源相控陣?yán)走_(dá)多為由T/R模塊組成的平面陣，其結(jié)構(gòu)具有通過幾個(gè)幾何參數(shù)就可以建立熱仿真分析模型的特點(diǎn)，使得參數(shù)化熱分析仿真流程自動(dòng)化更有意義。而且由于波束控制技術(shù)(例如移相、數(shù)字波束形成(DBF)和自適應(yīng)零點(diǎn)波束形成(ANBF))應(yīng)用，在相控陣?yán)走_(dá)中波控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和中心計(jì)算機(jī)大量應(yīng)用VPX及CPCI標(biāo)準(zhǔn)的3U到7U的風(fēng)冷和導(dǎo)冷機(jī)箱，上述機(jī)箱的結(jié)構(gòu)也具有上述特點(diǎn)，這些相控陣?yán)走_(dá)重要組成設(shè)備熱問題同樣適合用參數(shù)化熱分析仿真方法解決。本文所闡述的方法同樣適用于上述天線面陣和機(jī)箱的熱仿真分析。

2 Flotherm參數(shù)化熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

基于Flotherm提供的XML數(shù)據(jù)接口，把幾何模型參數(shù)傳遞到到Flotherm熱仿真分析參數(shù)化模型中，生成的數(shù)據(jù)接口為XML格式的文件。然后用程序調(diào)用Flotherm命令行計(jì)算提交生成的XML格式文件，再從分析結(jié)果(Excel文件)中提取仿真分析結(jié)果模型中的最高溫度，以此判斷該結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)方案的可行性。

2.1 XML語言

XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言)是近年來得到廣泛應(yīng)用的一種基于Internet的元數(shù)據(jù)置標(biāo)語言。最大的特點(diǎn)是XML是獨(dú)立于軟件和硬件的純文本的信息傳輸工具，因此XML成為各種應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中最常用的工具[6]。Flotherm與應(yīng)用程序之間就是通過XML傳遞數(shù)據(jù)的。

2.2 Flotherm提供的XML數(shù)據(jù)接口

Flotherm提供的是XML_Schema標(biāo)準(zhǔn)來描述仿真分析形成的XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過定義和描述Flotherm仿真分析XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，以及Flotherm仿真分析XML文檔中存在哪些元素和元素間的關(guān)系，并定義Flotherm仿真元素和屬性的數(shù)據(jù)類型來形成Flotherm仿真分析XML文檔。

Flotherm仿真分析的XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

以T/R模塊中固態(tài)功率放大器的為例，其參數(shù)化模型的XML語言的描述可以用圖1中虛線框的cuboid復(fù)合元素來實(shí)現(xiàn)，見下例:

圖1 Flotherm的XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

‘(位置—參數(shù)化變量)

‘(大小——參數(shù)化變量)

‘(局部坐標(biāo)系設(shè)置)

‘(有沒有局部化網(wǎng)格)

‘(材料鎢銅——參數(shù)化變量)

‘(發(fā)熱量——參數(shù)化變量)

2.3 VB實(shí)現(xiàn)flotherm參數(shù)化仿真分析

通過VB編程可以將用戶界面中的參數(shù)傳遞到Flotherm所需要的仿真分析xml文件中，然后調(diào)用Flotherm對(duì)形成的仿真分析xml文件進(jìn)行解算后，從生成的結(jié)果文件(excel表格文件)中獲得熱仿真分析中計(jì)算域中的最高溫度點(diǎn)和位置，返回到用戶界面中。(見圖2中的參數(shù)化分析流程圖)

圖2 flotherm參數(shù)化分析流程圖

2.3.1 T/R模塊熱仿真分析用戶界面設(shè)計(jì)

T/R模塊主要由數(shù)字移相器、激勵(lì)放大器、固態(tài)功率放大器、輸出收/發(fā)開關(guān)、限幅器、低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、環(huán)行器等組成，見圖3[7]所示。尤其是固態(tài)功率放大器受溫度影響較為明顯。

圖3 T/R模塊組成典型照片

根據(jù)上述典型T/R模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提供三個(gè)用戶界面，見圖4所示。

圖4(a)顯示輸入T/R模塊外形尺寸和材料(壁厚并不相同)；圖4(b)顯示輸入典型熱源(固態(tài)功率放大器)熱量、大小、位置和材料[8]；圖4(c)顯示輸入外界風(fēng)速的方向、大小、環(huán)境溫度和是否在最大熱源處添加傳感器。

圖4 T/R模塊參數(shù)模型輸入界面

2.3.2 VB編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)xml文件的讀寫

使用Call語句來將實(shí)現(xiàn)打開xml文件并寫入flotherm仿真分析xml文件頭(聲明)：

Open ("c:TRcomponent.xml") For Output As 1

Sub write_header(model_name)

Print #1，""

Print #1，""

Print #1，""

End Sub

Call write_header("Tr1")

2.3.3 VB編程實(shí)現(xiàn)調(diào)用flotherm命令行對(duì)flotherm仿真分析的xml文件進(jìn)行解算：

Dim strArgs As String

Set oShell = CreateObject("Wscript.Shell")

strArgs = "c:Progra～1MentorMAflosuite_v93flothermWinXPinflotherm.bat"

strArgs = strArgs + " -b c:TRcomponent.xml -o c: emp"

oShell.RunstrArgs，0，True

oShell = Null

上述程序用wscript對(duì)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)flotherm命令行的調(diào)用并對(duì)仿真分析模型的xml文件進(jìn)行解算，將解算結(jié)果放入C盤temp子目錄下。上述編程實(shí)際上就是調(diào)用了下述命令行對(duì)仿真分析模型進(jìn)行解算。

Flotherm-b c: TRcomponent.xml -o c: emp

2.4 參數(shù)化T/R模塊Flotherm模型

某X波段T/R模塊的參數(shù)見表1所示，形成的熱分析模型見圖5所示，需要指出的是參數(shù)化模型中的固態(tài)功率放大器是焊接在殼體上的，由于散熱功耗比較低，所以沒有采用功率芯片焊接裝配熱模型，芯片上的溫度可以根據(jù)功率芯片裝配形式用相應(yīng)的等效熱阻計(jì)算得到[8]。

表1 T/R模塊參數(shù)表

圖5 T/R模塊參數(shù)化模型

2.5 參數(shù)化T/R模塊仿真分析結(jié)果

通過可視化用戶界面參數(shù)化修改風(fēng)速，可快速得到不同風(fēng)速下的熱仿真結(jié)果，如圖6所示，從分析結(jié)果可以看到，該T/R模塊需要在5m/s的風(fēng)速散熱才能正常工作，最高溫度出現(xiàn)在2W的固態(tài)功率放大器上，最高溫度為80.6℃，溫升30.6℃，從文獻(xiàn)[9]中散熱分析和試驗(yàn)的相關(guān)論述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論：該T/R模塊適合采用天線靜壓箱孔板散熱的通風(fēng)方法。

圖6 熱仿真分析結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語

本文利用熱分析軟件Flotherm提供的XML數(shù)據(jù)接口，基于VB軟件編寫了熱仿真模型的參數(shù)化造型和參數(shù)化修改程序,實(shí)現(xiàn)了功率模塊溫度場(chǎng)模型的自動(dòng)化生成和用戶界面的可視化。一方面減少了熱分析師建立有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真分析模型的時(shí)間，并通過友好的用戶界面程序使得熱仿真分析便捷化；另一方面，通過該方法實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)熱仿真分析流程自動(dòng)化后，還可用于多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化工具軟件(例如Matlab，Isight等)調(diào)用該熱仿真分析流程，通過優(yōu)化算法設(shè)定和修改熱設(shè)計(jì)變量以達(dá)到優(yōu)化熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)，為設(shè)計(jì)有源相控陣?yán)走_(dá)提供可靠、有效的設(shè)計(jì)依據(jù)。

該方法還可推廣用于建立有源相控陣?yán)走_(dá)天線面陣、信處風(fēng)冷或?qū)Ю錂C(jī)箱、二次電源和天線收發(fā)機(jī)柜參數(shù)化熱仿真分析流程中，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)各種電子結(jié)構(gòu)熱仿真分析流程自動(dòng)化具有借鑒意義。