某雷達(dá)平面陣列天線風(fēng)冷研究*

關(guān)宏山

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

引 言

相控陣天線是現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)的核心設(shè)備，在一定程度上決定了雷達(dá)的系統(tǒng)方案，其中有源相控陣較無(wú)源相控陣具有更顯著的性能優(yōu)勢(shì)[1]。但是有源相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)，其有源陣列天線往往需要耗散巨大的熱量，需要采取經(jīng)濟(jì)高效的冷卻措施來(lái)保證其長(zhǎng)期工作的可靠性[2–3]。

風(fēng)冷和液冷是相控陣?yán)走_(dá)冷卻最常用的冷卻方式[4–7]。伴隨現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備熱流密度持續(xù)增大，液冷在雷達(dá)冷卻方面正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，風(fēng)冷具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，仍然是目前雷達(dá)冷卻設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)先考慮的方式之一。

某雷達(dá)平面陣列天線的有源設(shè)備熱流密度不高，為實(shí)現(xiàn)低成本、高集成度的雙重設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定采用集中式風(fēng)源供風(fēng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷方案。因此，其冷卻設(shè)計(jì)除了需要傳統(tǒng)風(fēng)冷方案設(shè)計(jì)（如風(fēng)冷組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)）外，還需要解決單一集中式風(fēng)源條件下大型平面陣列天線的冷卻空氣流量精確分配難題，從而保證天線陣面各有源設(shè)備工作溫度的一致性。

目前，雷達(dá)冷卻方面的風(fēng)冷技術(shù)文獻(xiàn)較多，但基本上均采用多風(fēng)源的分布式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式，難以實(shí)現(xiàn)高集成化和一體化，不符合雷達(dá)系統(tǒng)小型化、高集成化的發(fā)展潮流。然而，針對(duì)大型平面陣列天線采用單一集中式風(fēng)源進(jìn)行集成化風(fēng)冷的文獻(xiàn)較少。本文結(jié)合某相控陣?yán)走_(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)的研制，對(duì)其組件熱設(shè)計(jì)特別是集成化精確空氣流量分配進(jìn)行了詳細(xì)論述，為實(shí)現(xiàn)類似的大尺寸多設(shè)備并聯(lián)電子設(shè)備的集成化、一體化風(fēng)冷設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒。

1 物理模型

某相控陣?yán)走_(dá)采用單一風(fēng)源對(duì)大型有源平面陣列天線進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，冷卻空氣經(jīng)空調(diào)降溫增壓后，經(jīng)陣面下方的分風(fēng)單元分為12路進(jìn)入陣面前方的靜壓天線罩內(nèi)，然后并聯(lián)流經(jīng)96個(gè)數(shù)字陣列模塊（Digital Array Module, DAM），對(duì)DAM進(jìn)行通風(fēng)冷卻。其物理模型如圖1所示。

圖1 雷達(dá)天線陣面物理模型

2 數(shù)學(xué)模型

本文的冷卻介質(zhì)為空氣，作為一種流體，空氣流動(dòng)遵守的基本守恒定律是質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[8]。

質(zhì)量守恒方程：

式中，u,v,w分別為x,y,z方向的速度分量。

動(dòng)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘度；p為流體壓強(qiáng)。

能量守恒方程：

式中：cp為流體比熱容；T為溫度；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

3 設(shè)計(jì)方案

該相控陣?yán)走_(dá)有源平面陣列天線采用模塊化分布式設(shè)計(jì)。天線寬約4.32 m、高約0.88 m，水平向包括6列DAM，豎直向包括16行DAM，每4個(gè)DAM為一個(gè)數(shù)字陣列單元（Digital Array Unit, DAU）。全陣面共96個(gè)DAM，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）風(fēng)冷陣面尺寸為4.32 m×0.88 m；

2）風(fēng)源形式為單一空調(diào)集中送風(fēng)；

3）總風(fēng)量≥5 000 m3/h；

4）分風(fēng)支路數(shù)為96路，6列、16行；

5）DAM熱耗為單件200 W；

6）DAM溫度≤75°C。

天線陣面冷卻方案設(shè)計(jì)除了需滿足上述小陣要求外，還需驗(yàn)證今后天線陣面擴(kuò)充后冷卻方案的適應(yīng)性。由于天線結(jié)構(gòu)的相似性，天線水平方向擴(kuò)充對(duì)冷卻方案難度的影響不大，因此本系統(tǒng)研制時(shí)重點(diǎn)驗(yàn)證天線高度方向擴(kuò)充對(duì)冷卻方案的影響。考慮車載公路運(yùn)輸尺寸的限制，方案驗(yàn)證時(shí)將天線電訊口徑高度由0.88 m擴(kuò)展為2.2 m，即天線豎直向DAM由16個(gè)擴(kuò)展為40個(gè)。

如前所述，整個(gè)天線陣面采用風(fēng)冷冷卻。通風(fēng)方式為前后通風(fēng)，即空氣沿著DAM的深度方向（天線陣面的法向）流動(dòng)，并要求陣面上所有DAM的供風(fēng)盡量均勻。結(jié)合本雷達(dá)陣面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定采用靜壓箱孔板送風(fēng)方案。該方案利用天線罩與天線反射板之間的空腔形成靜壓箱，在DAM前方的天線反射板上開若干通風(fēng)孔形成孔板，氣流由靜壓箱下部進(jìn)入，經(jīng)孔板流經(jīng)DAM散熱器進(jìn)行散熱。因此，冷卻系統(tǒng)主要由風(fēng)源、過(guò)渡風(fēng)管、分風(fēng)單元、靜壓箱（天線罩）、孔板、DAM散熱器等組成，具體工作原理如圖2所示。

圖2 天線冷卻設(shè)計(jì)原理圖

3.1 風(fēng)源設(shè)計(jì)

風(fēng)源是整個(gè)冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，主要為系統(tǒng)提供適宜的冷卻空氣，可以是大型風(fēng)機(jī)或空調(diào)器等，其主要技術(shù)指標(biāo)為風(fēng)量、風(fēng)壓等。本系統(tǒng)為試驗(yàn)系統(tǒng)，風(fēng)源為某空調(diào)樣機(jī)，風(fēng)量約為6 000 m3/h，壓頭為350 Pa。

3.2 過(guò)渡風(fēng)管設(shè)計(jì)

在空調(diào)出口與陣面送風(fēng)口之間需連接一段過(guò)渡風(fēng)管，以匹配兩者之間的高度及方向差異，同時(shí)滿足雷達(dá)陣面0°～15°的俯仰動(dòng)作要求。此外，風(fēng)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需重點(diǎn)考慮盡量減小空氣流動(dòng)阻力，因此過(guò)渡風(fēng)管采用大部分金屬折彎加局部帆布的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。

3.3 分風(fēng)單元設(shè)計(jì)

由于空調(diào)送風(fēng)口較小，僅有約0.6 m×0.22 m，而試驗(yàn)小陣天線陣面寬度達(dá)到了4.32 m，寬度比超過(guò)7。仿真分析發(fā)現(xiàn)，如果直接采用與空調(diào)送風(fēng)口相等的矩形進(jìn)風(fēng)口將風(fēng)送入陣面，DAM進(jìn)風(fēng)的均勻性較差，不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)分風(fēng)單元將風(fēng)源送過(guò)來(lái)的集中式空氣合理分配到整個(gè)天線的寬度方向上。

經(jīng)設(shè)計(jì)，分風(fēng)單元采用矩形殼體形式，尺寸約為4.32 m×0.25 m×0.6 m，安裝在陣面的下方，位于過(guò)渡管道與靜壓箱之間，內(nèi)部設(shè)計(jì)一定數(shù)量的分流擋板。仿真分析發(fā)現(xiàn)，采用分風(fēng)單元后，DAM進(jìn)風(fēng)的均勻性大大提高。為了減小計(jì)算量，基于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取分風(fēng)單元的一半進(jìn)行仿真。圖3為1/2分風(fēng)單元內(nèi)的風(fēng)速分布，可以看出分風(fēng)單元出口處風(fēng)速具有良好的一致性，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖3 1/2分風(fēng)單元內(nèi)的風(fēng)速分布

3.4 靜壓箱設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的靜壓箱由雷達(dá)天線罩構(gòu)成，因此除了環(huán)控通風(fēng)要求外，靜壓箱還需同時(shí)滿足電訊系統(tǒng)的透波相關(guān)技術(shù)要求。經(jīng)綜合考慮，天線罩確定采用矩形結(jié)構(gòu)形式，安裝于雷達(dá)陣面的框架上。通過(guò)仿真分析將天線罩內(nèi)部?jī)艨臻g高度確定為200 mm左右。

3.5 孔板設(shè)計(jì)

孔板起到調(diào)節(jié)DAM供風(fēng)口開孔率的作用，與靜壓箱配合使用以實(shí)現(xiàn)DAM的均勻供風(fēng)。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高天線的集成度，本系統(tǒng)將孔板與天線陣面反射板一體化設(shè)計(jì)，因此需要兼顧通風(fēng)與電磁輻射的雙重要求。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，孔板最終采用圓孔結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)DAM開約140個(gè)Φ5通風(fēng)孔。為了減小計(jì)算量，同樣基于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取分風(fēng)單元與天線陣面的一半進(jìn)行仿真。圖4為1/2系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)速分布，全陣面風(fēng)速具有良好的一致性。

圖4 1/2系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)速分布

3.6 DAM熱設(shè)計(jì)

DAM外形尺寸約為720 mm×300 mm×50 mm，內(nèi)部集成16通道的收發(fā)組件，單個(gè)DAM的發(fā)熱功率約為200 W?？紤]該設(shè)備的發(fā)熱量較小、熱流密度不大，常規(guī)設(shè)計(jì)即可滿足散熱要求，因此其熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化，以獲得尺寸、重量、可制造性以及溫度水平的平衡。優(yōu)化以專業(yè)熱仿真分析軟件為工具，重點(diǎn)對(duì)DAM散熱器的翅片長(zhǎng)度和間距進(jìn)行評(píng)估。綜合考慮DAM的溫度水平、重量尺寸以及可制造性等因素，確定散熱器的長(zhǎng)度和間距分別為120 mm和5 mm，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在大量仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)完善分風(fēng)單元、靜壓箱以及孔板等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，優(yōu)化單一集中風(fēng)源條件下大型平面陣列天線的冷卻空氣流量分配設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證目前所采用的陣面前后均勻分風(fēng)方案的可行性。

為達(dá)到充分驗(yàn)證的目的，如前所述，試驗(yàn)以陣面高度方向擴(kuò)展為2.2 m為研究對(duì)象。

4.2 試驗(yàn)方法

考慮到擴(kuò)展后的陣面尺寸較大，內(nèi)部模塊數(shù)量多，完全加工制造成本偏高，且試驗(yàn)研究的主要目的是驗(yàn)證工程上陣面供風(fēng)的一致性，因此在保證試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義的前提下，需要盡可能縮小陣面面積?？紤]到在陣面進(jìn)行寬度方向擴(kuò)展時(shí)，可以方便地在陣面寬度方向?qū)λ惋L(fēng)口進(jìn)行擴(kuò)展，因此陣面冷卻空氣流量分配的主要難度來(lái)自陣面的高度尺寸。綜上所述，確定試驗(yàn)研究陣面如下：豎直方向2.2 m，由40行DAM組成；水平方向1.44 m，由2個(gè)DAM組成。

試驗(yàn)陣面由3臺(tái)風(fēng)機(jī)提供試驗(yàn)所需的風(fēng)量，空氣經(jīng)過(guò)渡連接管路、分風(fēng)單元送往陣面靜壓箱，然后通過(guò)孔板經(jīng)模擬組件排出。采用風(fēng)速儀對(duì)經(jīng)模擬組件排出空氣的速度進(jìn)行測(cè)量，以此確定陣面分風(fēng)的均勻性，試驗(yàn)情況如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)陣面現(xiàn)場(chǎng)

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用風(fēng)速儀測(cè)量每個(gè)DAM散熱器出風(fēng)口的風(fēng)速。由于DAM尺寸較大，為使每個(gè)DAM的測(cè)量盡量準(zhǔn)確，每間隔50 mm測(cè)量一次，然后取平均值。圖6為第1行至第40行DAM的平均出風(fēng)風(fēng)速。

圖6 DAM平均風(fēng)速分布

4.4 試驗(yàn)分析與結(jié)論

由圖6可知，陣面從最低處的第1行到最高處的第40行，通過(guò)DAM的空氣流量的趨勢(shì)基本上是一條直線，即DAM的流量走勢(shì)從下往上基本均勻，表明本系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)和仿真正確、有效，對(duì)大型平面陣列天線采用集中風(fēng)源前后分風(fēng)的方式進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷合理可行。

造成試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)在趨勢(shì)線上下波動(dòng)的因素包括試驗(yàn)?zāi)M散熱器的加工誤差（采用木材加工，一致性較差）、安裝誤差、人員測(cè)量誤差等。

5 實(shí)物驗(yàn)證

在前期仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上對(duì)冷卻方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并據(jù)此開展真實(shí)試驗(yàn)小陣的研制工作。圖7為去天線罩后試驗(yàn)小陣實(shí)物圖。

圖7 去天線罩后試驗(yàn)小陣實(shí)物圖

采用風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，考慮到安裝結(jié)構(gòu)的限制，以每個(gè)DAU為一組進(jìn)行測(cè)量，每組測(cè)量16個(gè)不同位置并取平均值，進(jìn)而得到整個(gè)陣面的風(fēng)速分布。陣面的風(fēng)速分布應(yīng)是連續(xù)的，因此可據(jù)此判斷陣面風(fēng)量分布的均勻性。圖8為全陣面不同位置的風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)，可見全陣面風(fēng)速具有良好的一致性，與仿真分析得到的趨勢(shì)一致，表明相關(guān)設(shè)計(jì)合理可行。

圖8 試驗(yàn)小陣全陣面風(fēng)速分布

6 結(jié)束語(yǔ)

在雷達(dá)或類似電子設(shè)備冷卻方面，風(fēng)冷方案仍然是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)先考慮的方式之一。

本文介紹的某相控陣?yán)走_(dá)風(fēng)冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)常規(guī)風(fēng)冷設(shè)計(jì)不同，采用集中式風(fēng)源解決較大規(guī)模平面陣列有源天線的冷卻問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)類似系統(tǒng)的高集成化風(fēng)冷設(shè)計(jì)，豐富了高密度有源陣列天線冷卻設(shè)計(jì)的技術(shù)路徑，為同類系統(tǒng)的研制提供了一種有益的借鑒。