CN108598657B - 一种有源相控阵雷达天线的环控系统设计方法及框架结构 - Google Patents

一种有源相控阵雷达天线的环控系统设计方法及框架结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种有源相控阵雷达天线的环控系统设计方法及框架结构，可有效解决有源相控阵雷达天线中除T/R组件及其供电电源外的单元控制器、高频接收机、功分网络等分散分布的低功耗组件的热控问题，总体上实现有源相控阵天线风冷与液冷混合散热的技术手段。本发明与现有技术相比，具有如下优点：1.解决了有源相控阵雷达天线中单元控制器、高频接收机、T组件以及功分网络等低功耗组件的散热问题，可与针对T/R组件及供电电源的液冷冷板搭配实现有源相控阵雷达天线系统的风冷与液冷的混合散热技术手段；2.送风及回风通道均基于天线框架边梁的中间夹层结构，无需专门设计静压腔，减小了天线尺寸，实现了结构和散热功能一体化；3.流体流动方向与冷板及功耗组件安装方向大体平行，减小了流动阻力，降低了风机及电源的功耗要求。

Description

一种有源相控阵雷达天线的环控系统设计方法及框架结构
技术领域
本发明涉及天线热设计领域，具体涉及到一种面向有源相控阵天线的环控系统设计方法及框架结构，用于指导有源相控阵天线的散热设计。
背景技术
随着电子技术的飞速发展以及军事装备要求的不断提高，有源相控阵天线的集成度越来越高，系统内的热流密度也越来越大，部分芯片的发热量已超过100W/cm2，美国海军预测未来T/R组件的热流密度有可能突破1000W/cm2。如此高的热量如果不能及时有效地散出，雷达系统的工作性能将会受到严重影响，具体表现在：高温使结构产生热变形，降低阵面平面度，改变辐射单元的位置及指向；破坏T/R组件的相位一致性，降低收发增益，增加失效率。目前已有研究表明，固态雷达发射机中，功率晶体管的结温每增加10℃，其可靠性就会下降60％。由此可见，高效、可靠地散热方式对保证雷达系统的工作性能是十分重要的。目前，针对高热流密度的T/R组件，可采用基于微通道冷板技术的液冷散热方法，即将T/R组件及其二次供电电源安装在液冷冷板上，通过冷板内部流动的冷却介质换热将热量带走。然而，对一个复杂的有源相控阵天线系统而言，除了T/R组件、供电电源等高热流密度组件外，还有单元控制器、高频接收机、T组件、功分网络等零散分布的组件，这些组件虽然热功耗较低，但同样需要专门的散热措施来保证其正常工作，我们称这些散热措施为有源相控阵天线的环控系统。
对传统单纯采用风冷散热的有源相控阵天线而言，大多采用集中式孔板静压送风的方法，即将冷风从天线框架底部送入，在天线后盖板与中隔板之间形成静压层，在静压作用下，风流经T/R组件的散热器，从中隔板的通风孔进入天线反射面与天线罩之间的夹层，最后通过风机将热风抽出。然而，当T/R组件的热功耗增大，需采用换热效率更高的液冷冷板散热技术后，中间隔板将不会有足够的空间用于开通风孔，且与中隔板垂直安装的冷板将会对底部进风造成较大阻力，不利于此方案的成功实现。因此，设计一种简单、可靠的环控系统来解决除T/R组件及其供电电源外的热功耗器件的散热、实现未来有源相控阵天线的风冷、液冷混合散热将是本领域目前亟待解决的工程技术问题。
发明内容
为了解决有源相控阵雷达天线中除T/R组件及其供电电源外的发热组件的散热问题，本发明提出了一种天线框架结构以及基于这种天线框架结构的环控系统设计方法，可有效解决单元控制器、高频接收机、功分网络等分散分布的低功耗组件的热控问题，总体上实现有源相控阵天线风冷与液冷混合散热的技术手段。
实现本发明的设计方法的具体步骤如下：
(1)根据有源相控阵雷达天线功耗组件的分布确定天线框架的结构；
(2)利用框架边梁、后盖板以及框架中隔板规划环控系统风的流通路径；
(3)根据天线框架内安装功耗组件的热量计算所需风量；
(4)利用全面孔板送风原理计算静压腔侧板的开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n；
(5)基于等面积原则计算回风侧板的开孔直径D；
(6)根据所需风量及送风静压腔压力损失选择合适的风机；
(7)利用热分析分软件对整个系统进行建模、仿真分析及优化，判断仿真结果是否满足有源相控阵天线功耗组件的温度指标要求，如果满足则天线环控系统设计合格；否则的话进入下一步骤；
(8)微调开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n、回风侧板的开孔直径D以及风机的参数，并重复步骤(7)直至满足要求。
所述步骤(1)的天线框架结构的边梁设计为U型梁与侧板焊接而成的中空结构，左侧边梁的中空结构为静压腔，右侧边梁的中空结构为回风夹层，中空结构的高度h及宽度w基于框架所承载的重量通过结构有限元分析来确定。
所述步骤(1)的天线框架结构为顶端两侧分别是风机的进风及出风通道，中间设计横梁以增加天线框架的刚性同时作为不同层功耗组件流通风的隔离通道。
所述步骤(2)的利用框架边梁、后盖板以及框架中隔板规划环控系统风的流通路径，具体为通过送风风机把外界环境风从天线后盖板送入天线边梁的静压腔，当静压腔内风压达到一定程度时，风从静压腔侧板上的通风孔吹入天线框架内，流经各功耗组件，进入天线框架右侧的回风夹层，再经抽风风机从天线后盖板排到外界环境中。
所述步骤(4)利用全面孔板送风原理计算静压腔侧板的开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n，按如下过程进行：
(4a)静压腔的净高度h已由结构有限元分析所确定，由稳压层净高公式
Figure GDA0002673921410000031
得到孔板送风出口风速
Figure GDA0002673921410000032
式中，S为稳压层内有孔板部分的气流最大行程，Ld为静压腔内单位面积送风量；
(4b)根据估算公式
Figure GDA0002673921410000033
计算孔口直径ds，式中，ν为空气的运动粘度；
(4c)由送风量Ls计算总面积fk以及净孔面积比K；
(4d)计算静压腔侧板孔口中心距l及孔口数目n。
所述步骤(5)基于等面积原则计算回风侧板的开孔直径D，即
Figure GDA0002673921410000034
本发明还提供了一种有源相控阵雷达天线的框架结构，所述框架结构包括前盖板、后盖板、主框架、中隔板和低功耗组件；所述前、后盖板与主框架固定密闭连接；所述主框架整体结构是中空四边体，其包括第一壁、第二壁、第三壁、第四壁、横梁、进风通道和出风通道；
所述横梁两端与第一、二壁固定连接，所述中隔板固定于所述主框架内部；所述低功耗组件安装于所述中隔板上；所述第一壁和第二壁有一部分中空形成通风道，且第一壁和第二壁相对的两个内表面设有若干通风孔；所述进风通道和出风通道分别位于主框架一角。
所述的有源相控阵雷达天线的框架结构，进风通道和出风通道呈中空四边体，其相对的两个壁中空形成通风道，且相对的两个壁的相对两个内表面设有若干通风孔。
所述的有源相控阵雷达天线的框架结构，后盖板设有进风口，与所述进风通道相连通；所述后盖板还设有出风口，与所述出风口通道相连通。
所述的有源相控阵雷达天线的框架结构，进风通道内安装有进风风机，所述后盖板出风口位置安装有抽风风机。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.解决了有源相控阵雷达天线中单元控制器、高频接收机、T组件以及功分网络等低功耗组件的散热问题，可与针对T/R组件及供电电源的液冷冷板搭配实现有源相控阵雷达天线系统的风冷与液冷的混合散热技术手段；
2.送风及回风通道均基于天线框架梁的中间夹层结构，无需专门设计静压腔，减小了天线尺寸，实现了结构和散热功能一体化；
3.流体流动方向与冷板及功耗组件安装方向大体平行，减小了流动阻力，降低了风机及电源的功耗要求。
附图说明
图1是本发明有源相控阵天线框架整体结构图；
图2是本发明有源相控阵天线框架边梁结构图及放大图；
图3是本发明有源相控阵天线外部进风及出风示意图；
图4是本发明有源相控阵天线内部通风流程示意图；
图5是本发明有源相控阵天线静压腔孔板示意图；
图6是本发明有源相控阵天线回风夹层的开孔示意图；
图7是本发明仿真结果的有源相控阵天线框架内风速流动迹线图；
图8是本发明仿真结果的有源相控阵天线功耗组件表面温度分布图；
图9是本发明仿真算例无风机及通风通道时功耗组件的表面温度分布图；
附图标记
1横梁，2单元控制器，3功分器，4波控机，5U型梁，6侧板，8后盖板，9中隔板，10送风风机，11静压腔，12回风夹层，13抽风风机，14第一壁，15第二壁，16第三壁，17第四壁，18静压腔侧板孔，19回风夹层侧板孔
具体实施方式
实施例一
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，包括如下步骤：
1.确定有源相控阵雷达天线框架结构
参照附图1及图5，根据有源相控阵雷达天线功耗组件单元控制器2，功分器3，波控机4的分布确定天线框架结构，将天线框架顶端A、B两侧分别规划为风机的进风及出风通道，中间设计两根横梁1以增加天线框架的刚性同时作为不同层功耗组件流通风的隔离通道，如图4所示，风的流动方向与框架平行，不同层之间互不串扰；
参照附图2，天线框架边梁设计为U型梁5与侧板6焊接而成的中空结构，左侧边梁(左侧U型梁与侧板)的中空结构为静压腔，右侧边梁(右侧U型梁与侧板)的中空结构为回风夹层，中空结构的高度h及宽度w基于天线框架所承载的重量通过结构有限元分析来确定。
2.规划环控系统风的流动路径
参照附图2、3和4，利用框架边梁、后盖板8以及框架中隔板9规划环控系统风的流通路径，即外界环境风从后盖板8的进风通道进入后，送风风机10把外界环境风送入天线左侧边梁的静压腔11，当静压腔11内风压达到一定程度时，风从静压腔侧板孔18吹入天线框架内，流经各功耗组件单元控制器2、功分器3、波控机4，通过天线框架右侧回风夹层侧板孔19进入回风夹层12，再由抽风风机13从回风夹层12中将风抽出，通过天线后盖板8排到外界环境中。
3.计算功耗组件散热所需风量
根据天线框架内安装功耗组件的热量，并利用公式Ls＝3600Q/(cpρΔt)计算所需风量。根据功耗组件的出厂参数，已知功耗组件单元控制器2、功分器3、波控机4的热耗分别为368W、92W、46W，Q是功耗组件的总热量为506w，cp是空气的定压比热，ρ是空气密度，Δt是空气的出口与进口的温差(定值，工程行业内一般取10℃-20℃)，根据公式所得Ls＝3600*(0.368+0.092+0.046)/(1.0174*1*15)＝119m3/h。
4.利用全面孔板送风原理计算静压腔侧板孔18尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n
(4a)参照图2及图5，静压腔11的净高度h已由结构有限元分析所确定，有稳压层净高公式
Figure GDA0002673921410000061
得到静压腔侧板送风出口风速
Figure GDA0002673921410000062
取vs＝4m/s，式中S为稳压层内有孔板部分的气流最大行程，
Figure GDA0002673921410000063
为静压腔11内单位面积送风量，其中f为静压腔侧板的面积；
(4b)根据估算公式
Figure GDA0002673921410000064
计算孔口直径
Figure GDA0002673921410000065
取ds＝5mm，式中ν为空气的运动粘度；
(4c)由步骤3得到的送风量Ls计算孔口总面积
Figure GDA0002673921410000066
以及净孔面积比
Figure GDA0002673921410000067
式中α为孔口流量系数，取为0.78；
(4d)参照图5，计算静压腔侧板孔口中心距
Figure GDA0002673921410000068
取l＝4，
Figure GDA0002673921410000069
除去天线框架顶端A处横梁的遮挡数目18个，共有441个出风孔。
5.基于等面积原则计算回风夹层侧板孔19直径D
参照附图6，回风夹层12侧板孔19尺寸D按照等面积原则
Figure GDA00026739214100000610
计算，由于静压腔侧板被横梁划分为三部分，每部分的开孔数量n取为144，故
Figure GDA0002673921410000071
6.根据所需风量及送风静压腔11压力损失选择合适的风机
送风及抽风风机10均选择ebmpapst的8212JH4，风压在100Pa时，风量为200m3/h和当风压上升到300Pa时，风量为160m3/h。
步骤七，利用热分析软件仿真优化
基于热分析软件FloEFD对整个系统进行建模、仿真分析及优化，分别添加热源、边界条件、风机曲线并划分网格后计算得到天线框架内风速流动迹线如图7所示，功耗组件的表面温度分布云图如图8所示。图7中可以看出，孔板出风口处的风速在4m/s左右，功耗组件附近的风速小于0.5m/s，符合设计要求。在外界环境温度为55℃时，有源相控阵天线功耗组件的最高温度为76℃，最低温度为64℃，满足极端环境条件下功耗组件表面温度小于80℃的指标要求。
为突出本发明的设计效果，本例中还给出了无风机以及通风通道时功耗组件的仿真结果，无风机以及通风通道时功耗组件的温度分布云图如图9所示，从图9中可以看出，无风机以及通风通道时功耗组件的最高温度为105.37℃，不满足指标要求。
通过实验案例的仿真结果，证明本发明环控系统的设计方法可用于有源相控阵天线单元控制器、高频接收机、功分网络、T组件等低功耗组件的散热设计。
实施例二
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图3所示，一种有源相控阵雷达天线的框架结构，包括前盖板、后盖板8、主框架、中隔板9和低功耗组件单元控制器2、功分器3、波控机4；前盖板、后盖板8与主框架固定密闭连接；主框架整体结构是中空四边体，其包括第一壁14、第二壁15、第三壁16、第四壁17、横梁1、进风通道和出风通道；
横梁1两端与第一壁14、第二壁15固定连接，中隔板9平行于前盖板和后盖板8，并固定于主框架内部；低功耗组件包括单元控制器2、功分器3、波控机4均安装于中隔板9上；第一壁14和第二壁15有一部分中空形成通风道，且第一壁14和第二壁15相对的两个内表面设有若干通风孔，即第一壁14内表面静压腔侧板孔18(参照图5)和第二壁15内表面的回风夹层侧板孔19(参照图6)；进风通道和出风通道分别位于主框架一角，即A和B区域。
有源相控阵雷达天线的框架结构，进风通道和出风通道呈中空四边体，其相对的两个壁中空形成通风道，且相对的两个壁的相对两个内表面设有若干通风孔，进风通道表面静压腔侧板孔18(参照图5)和出风通道内表面的回风夹层侧板孔19(参照图6)。
有源相控阵雷达天线的框架结构，后盖板8设有进风口，进风通道相连通；后盖板8上还设有出风口，与出风口通道相连通。
所有源相控阵雷达天线的框架结构，进风通道内安装有送风风机10，所述后盖板出风口位置安装有抽风风机13。

Claims (9)

1.一种有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)根据有源相控阵雷达天线功耗组件的分布确定天线的框架结构；
(2)利用框架边梁、后盖板以及框架中隔板规划环控系统风的流通路径；
(3)根据天线框架内安装功耗组件的热量计算所需风量；
(4)利用全面孔板送风原理计算边梁静压腔侧板的开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n；
(5)基于等面积原则计算回风侧板的开孔直径D；
(6)根据所需风量及送风静压腔压力损失选择合适的风机；
(7)利用热分析分软件对整个系统进行建模、仿真分析及优化，判断仿真结果是否满足有源相控阵天线功耗组件的温度指标要求，如果满足则天线环控系统设计合格；否则的话进入下一步骤；
(8)微调开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n、回风侧板的开孔直径D以及风机的参数，并重复步骤(7)直至满足要求；
其中，所述边梁设计为中空结构，所述边梁包括U型梁和侧板，所述侧板上设有通风孔，所述边梁分为左侧边梁和右侧边梁，所述左侧边梁的中空结构为静压腔，所述右侧边梁的中空结构为回风夹层，所述框架结构的顶端两侧分别是风机的进风通道及出风通道；
所述流通路径为：外界环境风从进风通道进入后，把风送入天线所述左侧边梁的所述静压腔，当所述静压腔的风压达到一定程度时，风从所述静压腔侧板上的所述通风孔吹入框架结构内，流经各功耗组件，通过所述右侧边梁的所述通风孔进入所述回风夹层，再从所述回风夹层中将风排到外界环境中。
2.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于：所述边梁设计为U型梁与侧板焊接而成，中空结构的高度h及宽度w基于框架所承载的重量通过结构有限元分析来确定。
3.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于：所述进风通道正下方装有送风风机，所述出风通道上装有抽风风机；中间设计两根横梁以增加天线框架的刚性同时作为不同层功耗组件流通风的隔离通道。
4.根据权利要求3所述的有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过送风风机把风从天线后盖板送入天线左侧边梁的静压腔，再由抽风风机从回风夹层中将风抽出，通过天线后盖板排到外界环境中。
5.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(4)利用全面孔板送风原理计算静压腔侧板的开孔尺寸ds、孔口间距l以及开孔数目n，按如下过程进行：
(4a)静压腔的净高度h已由结构有限元分析所确定，由稳压层净高公式
Figure FDA0002673921400000021
得到孔板送风出口风速
Figure FDA0002673921400000022
式中，S为稳压层内有孔板部分的气流最大行程，Ld为静压腔内单位面积送风量；
(4b)根据估算公式
Figure FDA0002673921400000023
计算孔口直径ds，式中ν为空气的运动粘度；
(4c)由送风量Ls计算总面积fk以及净孔面积比K；
(4d)计算静压腔侧板孔口中心距l及孔口数目n。
6.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线环控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(5)基于等面积原则计算回风夹层侧板的开孔直径D，即
Figure FDA0002673921400000024
7.一种有源相控阵雷达天线的框架结构，其特征在于：所述框架结构包括前盖板、后盖板、主框架、中隔板和低功耗组件；所述前、后盖板与主框架固定密闭连接；所述主框架整体结构是中空四边体，其包括第一壁、第二壁、第三壁、第四壁、横梁、进风通道和出风通道；
所述横梁两端与第一、二壁固定连接，所述中隔板固定于所述主框架内部；所述低功耗组件安装于所述中隔板上；所述第一壁和第二壁有一部分中空形成通风道，且第一壁和第二壁相对的两个内表面设有若干通风孔；所述进风通道和出风通道分别位于主框架一角；
所述后盖板设有进风口，与所述进风通道相连通；所述后盖板还设有出风口，与所述出风口通道相连通。
8.如权利要求7所述的有源相控阵雷达天线的框架结构，其特征在于，所述进风通道和出风通道呈中空四边体，其相对的两个壁中空形成通风道，且相对的两个壁的相对两个内表面设有若干通风孔。
9.如权利要求7所述的有源相控阵雷达天线的框架结构，其特征在于，所述进风通道内安装有进风风机，所述后盖板出风口位置安装有抽风风机。
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