CN110082728A - 一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，将SAR阵面系统安装在无人机前机身侧面的风道中，该SAR阵面系统中的T/R组件沿无人机长度方向设置在阵面框架正反两面的上部；每一T/R组件壳体的外侧面都横向间隔设置有多行散热齿，阵面框架同一面所有T/R组件壳体上的散热齿沿该阵面框架长度方向连成一排组成横向的散热通道；且阵面框架两端对应其正反两面T/R组件的位置均设置有凹槽，用于气流从散热齿处经过；由于采用了直接在排成一排的T/R组件壳体外侧壁上设置多行散热齿，结合阵面框架两端的凹槽，从而可利用无人机飞行时的自然风进行充分冷却，结构简单、体积小、重量轻，不但满足了SAR阵面系统的散热要求，而且提高了无人机的飞行能力。
Description
技术领域
本发明涉及机载雷达相控阵雷达阵面系统的结构设计领域，尤其涉及的是无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构。
背景技术
机载雷达——是装在飞机上的各种雷达的总称。主要用于控制和制导武器，实施空中警戒、侦察，保障准确航行和飞行安全；其中，无人机是利用无线电遥控设备或者机载程控系统进行操控的非载人飞行器。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，缩略词为SAR)是一种主动式的对地观测系统，采用脉冲测距技术，通过真实的天线，相对于目标运动，以“合成”的方式获得其方位的分辨力。
无人机载SAR可进行远距离探测，同时成像分辨率也高，可进行全天时、全天候的探测；在战场上无人机载SAR也能穿云透雾，可以跟踪移动的目标，广泛用于军事、民用领域。
但是，由于无人机平台大小有限，雷达的体积和重量会影响到无人机的飞行能力；随着电子技术的发展和战术要求的不断变化，无人机载雷达小型化、轻型化的程度要求也越来越高；雷达阵面系统的集成程度要求也随之增加；同时，雷达阵面系统中的散热要求也越来越高，如果散热不到位，过高的热量会毁坏芯片，所以雷达阵面系统中的内部散热问题一直都是SAR阵面结构设计的重点。
而传统SAR阵面系统采用是液体冷却和风冷却的散热方式；风冷却主要是利用风机吹风进行降温；液体冷却是通过冷却液体进行循环的冷却方式进行制冷；由于风机需要占用一定的空间，而液体冷却需要在阵面系统结构设计时增加液体冷却通道，所以传统雷达的结构设计难以满足无人机载雷达轻小化的要求。
因此，现有技术尚有待改进和发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，结构简单、体积小、重量轻，不但可满足SAR阵面系统的散热要求，而且可提高无人机的飞行能力。
本发明的技术方案如下：一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，合成孔径雷达阵面系统整体上呈扁平状，安装在无人机前机身侧面的风道中；该合成孔径雷达阵面系统中的T/R组件沿无人机的长度方向设置在阵面框架正反两面的上部；每一T/R组件壳体的外侧面都横向间隔设置有多行散热齿，所述阵面框架同一面所有T/R组件壳体上的散热齿沿该阵面框架长度方向连成一排组成横向的散热通道；且所述阵面框架两端对应其正反两面T/R组件的位置均设置有凹槽，用于气流从散热齿处经过。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述散热齿设置为多行平凸交替的条形矩形块。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述散热齿设置在对应T/R组件中发热量最高的功率芯片位置处的壳体外侧。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述凹槽的深度从阵面框架的端面看，完全露出安装后的T/R组件壳体上的散热齿，且所述凹槽的上下位置和长度超过安装后的T/R组件的垂直长度。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述阵面框架由均采用金属板制成的主板、顶板和前后两端板组成，其中，所述顶板设置在主板的顶边上，所述前后两端板设置在该主板的前后两端面上，所述主板、顶板和前端板之间两两相互垂直，且前后两端板相互平行。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述阵面框架的板厚根据天线各极化接口之间的距离确定；且所述阵面框架上用于安装T/R组件的区域的板厚小于该阵面框架上其他区域的壁厚。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述阵面框架正面或背面的T/R组件与该阵面框架之间设置有一层锡箔纸。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述合成孔径雷达阵面系统包括天线、阵面框架、T/R组件、延时组件、波控电路、功分器和电源模块；所述天线沿阵面框架的长度方向安装在该阵面框架的顶面，用于信号的接收和发射；所述T/R组件通过射频连接器与天线连接，用于水平极化和垂直极化天线信号；所述延时组件位于T/R组件下方的阵面框架上，也沿所述阵面框架的长度方向设置，用于通过延时补偿的方法提高天线带宽性能和成像质量；所述波控电路位于延时组件下方的阵面框架上，通过电缆分别与T/R组件和延时组件连接，并与天线共同构成无线发送与接收系统，用于对扫描信号进行放大、移相、衰减；所述功分器位于波控电路下方的阵面框架上，用于对射频信号进行分配和合并；所述电源模块位于阵面框架的下部并靠近其端部的位置，用于为各组件、电路和元器件提供电源。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：整个合成孔径雷达阵面系统中的T/R组件、延时组件、波控电路和功分器全部对称分布在所述阵面框架的正反两面，并全部采用螺栓安装在该阵面框架上，且对称的器件采用同一根螺栓共同锁紧。
所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其中：所述阵面框架上对应安装电源模块的区域冲切出带有翻边的方形腔孔，用于安装厚度较厚的电源模块。
本发明所提供的一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，由于采用了直接在排成一排的T/R组件壳体外侧壁上设置多行散热齿，结合阵面框架两端的凹槽，从而可利用无人机飞行时的自然风进行充分冷却，结构简单、体积小、重量轻，不但满足了SAR阵面系统的散热要求，而且提高了无人机的飞行能力。
附图说明
图1是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例的正面立体图；
图2是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例的背面立体图；
图3是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例所用T/R组件的放大立体图；
图4是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例所用阵面框架的背面立体图；
图5是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例纵向半剖放大视图；
图6是本发明图5中局部B的放大图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，说描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限制本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，图1是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例的正面立体图，图2是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例的背面立体图；所述合成孔径雷达(即SAR)阵面系统整体上呈扁平状结构，安装在无人机前机身侧面的风道中，扫描方式是方位一维电扫，扫描范围为±20°；该SAR阵面系统包括天线100、阵面框架200、T/R组件300、延时组件400、波控电路500、功分器600和电源模块700；所述天线100沿阵面框架200的长度方向安装在该阵面框架200的顶面，用于信号的接收和发射；所述T/R组件300沿无人机的长度方向(即沿阵面框架200的长度方向)安装在该阵面框架200正反两面的上部，并通过射频连接器(图未示出)与天线100连接，用于水平极化和垂直极化天线信号；所述延时组件400安装在T/R组件300下方的阵面框架200上，也沿所述阵面框架200的长度方向设置，用于通过延时补偿的方法，提高SAR天线带宽性能，从而提高SAR成像的质量；所述波控电路500安装在延时组件400下方的阵面框架200上，通过电缆分别与T/R组件300和延时组件400连接，并与天线100共同构成无线发送与接收系统，用于对扫描信号进行放大、移相、衰减；所述功分器600安装在波控电路500下方的阵面框架200上，用于对射频信号进行分配和合并；所述电源模块700安装在阵面框架200的下部并靠近其端部的位置，用于为各组件、电路和元器件提供电源。
结合图3所示，图3是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例所用T/R组件的放大立体图，所述T/R组件300，又称微波发送器与接收器（Transmitter and Receiver，简称T/R）组件，是整个SAR阵面系统中最重要的器件，也是产生热量的主要器件；为此，本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构在于，每一T/R组件300壳体的外侧面都横向间隔设置有多行散热齿311，而阵面框架200同一面所有T/R组件300壳体上的散热齿311沿该阵面框架200长度方向连成一排组成横向的散热通道；同时，图1和图2中的阵面框架200两端对应其正反两面T/R组件300的位置均设置有凹槽211，用于气流从散热齿311处经过；由此当无人机在飞行过程中，气流从其机身侧面的风道进入，并经由凹槽211通过散热齿311时可带走大量的热量，从而达到冷却T/R组件300的目的。
较好的是，所述散热齿311设置为多行平凸交替的条形矩形块，在满足T/R组件400散热要求的前提下，散热齿311的数量不宜过多，以免增加加工难度或增加T/R组件400重量。
具体的，所述散热齿311优先设置在对应T/R组件300中发热量最高的功率芯片位置处的壳体外侧；较好的是，可将发热量最高的功率芯片布设在T/R组件300壳体的上半部分。
结合图4所示，图4是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统散热结构实施例所用阵面框架的背面立体图，所述阵面框架200是阵面系统的主框架及承载结构件，由均采用金属板尤其是铝合金板制成的主板240、顶板210和前后两端板(220a和220b)组成，其中，所述顶板210设置在主板240的顶边上，所述前后两端板(220a和220b)设置在该主板240的前后两端面上，所述主板240、顶板210和前端板220a(或后端板220b)之间两两相互垂直，且前后两端板(220a和220b)相互平行。
较好的是，所述阵面框架200主板240的板厚可根据天线各极化接口之间的距离确定；且在保证该阵面框架200刚度的前提下，所述阵面框架200主板240上用于安装T/R组件300的区域230的板厚小于该阵面框架200主板240上其他区域的壁厚，以减轻整个SAR阵面系统的重量。
具体的，前述阵面框架200两端的凹槽211分别位于前后两端板(220a和220b)的上部，且前后两端板(220a和220b)上部的两侧均设置有一个凹槽211；较好的是，所述凹槽211的深度从阵面框架200的端面看，以至少能完全露出安装后的T/R组件300壳体上的散热齿311为宜，且该凹槽211在前后两端板(220a和220b)的上下位置和长度以超过安装后的T/R组件300的垂直长度为宜。
具体的，图1和图2中的天线100沿所述阵面框架200的长度方向平铺在其顶板210的顶面，该天线100优先采用波导缝隙双极化天线，例如，对于1:16网络来说，所述天线100可采用256个通道的波导缝隙双极化天线，具有辐射效率高，极化隔离度高的优点。
具体的，所述T/R组件300为8通道T/R组件，主要由移相器、衰减器、开关、驱动放大器、功率放大器、隔离器、限幅器、低噪放、电源调制器、波束控制器等电路组成；所述T/R组件300的供电电压为+5V、-5V、+22V，且供电电源需具备±5V与+22V互锁保护功能。
例如，对于1:16网络来说，可采用32只T/R组件300，将一组16只T/R组件300沿图4阵面框架200的长度方向固定在该阵面框架200正面(或背面)的区域230并相互紧贴排成一行，用于水平极化天线信号；同时，将另一组16只T/R组件300沿图4阵面框架200的长度方向固定在该阵面框架200背面(或正面)的区域230并相互紧贴排成一行，用于垂直极化天线信号；所述阵面框架200正面(或背面)的16只T/R组件300壳体上的散热齿311连成一排组成横向的散热通道；每一T/R组件300的上端口通过射频连接器与天线100相连接，下端口通过电缆与延时组件400相连接。
具体的，所述延时组件400为双通道延时组件，主要由延时芯片、双向放大器、限幅器、低噪声衰减器、功率放大器、开关、电源调制器、波束控制器等电路组成；所述延时组件400的供电电压为+5V、-5V。
因为一只双通道延时组件仅与一只八通道T/R组件对应连接，所以对于1:16网络来说，需采用32只延时组件400，每只延时组件400都有三个射频端口(两个分口和一个总口)。
具体的，双通道延时组件包含有1/2/4/8/16波长共5位延时功能，在发射工作时将送至延时组件400的发射激励经延时并放大至满足T/R组件300的推动功率，而在接收工作时则将通过T/R通道接收到的回波信号延时放大输出。
具体的，所述波控电路500又称波束控制电路，用于实现双极化T/R组件300移相、衰减功能以及发射极化选择的控制和自检，也用于实现延时组件400延时功能以及收发控制和自检；对于1:16网络来说，可采用两块波控电路500，一块安装在所述阵面框架200的正面，另一块安装在该阵面框架200的背面。
具体的，所述功分器600为无源功分器，用于实现控制信号和自检信息的传输、分配和处理等；对于1:16网络来说，可采用两块1分16无源功分器，一块安装在所述阵面框架200的正面，另一块安装在该阵面框架200的背面。
具体的，所述电源模块700包括第一电源710和第二电源720；第一电源710用于提供+22V电源；第二电源720用于提供+5V、-5V电源；如果所述电源模块700的厚度较厚，为了减少整个SAR阵面系统的厚度，较好的是，可将图4阵面框架200主板240上对应安装电源模块700的区域冲切出带有翻边250的方形腔孔，由此可将厚度较厚的电源模块700安装在该方形腔孔的翻边250上，以进一步降低整个SAR阵面系统的厚度。
结合图5所示，图5是本发明无人机载合成孔径雷达阵面系统实施例纵向半剖放大视图，较好的是，整个SAR阵面系统中的T/R组件300、延时组件400、波控电路500和功分器600全部对称分布在阵面框架200的正反面，并全部采用螺栓安装在阵面框架200上，且对称的器件可采用同一根螺栓共同锁紧，以减少由于过多螺栓孔而导致阵面框架200刚度不足，同时可增加器件的安装牢固程度。
结合图6所示，图6是本发明图5中局部B的放大图，为了进一步改善整个SAR阵面系统的散热效果，较好的是，安装所述阵面框架200正面(和背面)的T/R组件300时，在所述T/R组件300壳体底面与阵面框架200主板240之间铺设一层锡箔纸800，以便于将所述T/R组件300在工作时发出的热量通过该锡箔纸800传递到用金属板尤其是铝合金板制成的主板240上，进进一步而达到降温的目的。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述声明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于，合成孔径雷达阵面系统整体上呈扁平状，安装在无人机前机身侧面的风道中；该合成孔径雷达阵面系统中的T/R组件沿无人机的长度方向设置在阵面框架正反两面的上部；每一T/R组件壳体的外侧面都横向间隔设置有多行散热齿，所述阵面框架同一面所有T/R组件壳体上的散热齿沿该阵面框架长度方向连成一排组成横向的散热通道；且所述阵面框架两端对应其正反两面T/R组件的位置均设置有凹槽，用于气流从散热齿处经过。
2.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述散热齿设置为多行平凸交替的条形矩形块。
3.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述散热齿设置在对应T/R组件中发热量最高的功率芯片位置处的壳体外侧。
4.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述凹槽的深度从阵面框架的端面看，完全露出安装后的T/R组件壳体上的散热齿，且所述凹槽的上下位置和长度超过安装后的T/R组件的垂直长度。
5.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述阵面框架由均采用金属板制成的主板、顶板和前后两端板组成，其中，所述顶板设置在主板的顶边上，所述前后两端板设置在该主板的前后两端面上，所述主板、顶板和前端板之间两两相互垂直，且前后两端板相互平行。
6.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述阵面框架的板厚根据天线各极化接口之间的距离确定；且所述阵面框架上用于安装T/R组件的区域的板厚小于该阵面框架上其他区域的壁厚。
7.根据权利要求1所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述阵面框架正面或背面的T/R组件与该阵面框架之间设置有一层锡箔纸。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述合成孔径雷达阵面系统包括天线、阵面框架、T/R组件、延时组件、波控电路、功分器和电源模块；所述天线沿阵面框架的长度方向安装在该阵面框架的顶面，用于信号的接收和发射；所述T/R组件通过射频连接器与天线连接，用于水平极化和垂直极化天线信号；所述延时组件位于T/R组件下方的阵面框架上，也沿所述阵面框架的长度方向设置，用于通过延时补偿的方法提高天线带宽性能和成像质量；所述波控电路位于延时组件下方的阵面框架上，通过电缆分别与T/R组件和延时组件连接，并与天线共同构成无线发送与接收系统，用于对扫描信号进行放大、移相、衰减；所述功分器位于波控电路下方的阵面框架上，用于对射频信号进行分配和合并；所述电源模块位于阵面框架的下部并靠近其端部的位置，用于为各组件、电路和元器件提供电源。
9.根据权利要求8所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：整个合成孔径雷达阵面系统中的T/R组件、延时组件、波控电路和功分器全部对称分布在所述阵面框架的正反两面，并全部采用螺栓安装在该阵面框架上，且对称的器件采用同一根螺栓共同锁紧。
10.根据权利要求8所述的无人机载合成孔径雷达阵面系统的散热结构，其特征在于：所述阵面框架上对应安装电源模块的区域冲切出带有翻边的方形腔孔，用于安装厚度较厚的电源模块。
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