风冷大功率固态发射机结构设计*

谢金祥，黄小伟，朱 斌，李 莉

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

引 言

发射机是雷达的“心脏”，其性能的好坏直接影响到雷达整机系统的性能和质量[1]。结构设计的优劣不仅会影响发射机的可靠性，还会直接影响用户的使用体验。目前，对大功率固态发射机结构设计的研究局限在不同平台发射机的结构强度设计和热设计两方面[2-3]，对由连接器选型不合理或馈电结构连接不可靠造成的打火、电磁泄露等影响设备可靠性的问题研究较少。另外，固态发射机系统复杂，调试、运行和维护过程中人员介入程度深，常规风冷装置需要频繁除尘，工作量大，加之风冷设备的噪声问题，用户体验不佳。本文针对上述问题，结合工程应用实际，提出解决方案，提高了设备的可靠性，提升了用户体验。

1 总体方案

如图1所示，典型的大功率固态发射机将输入的小功率射频信号经多级放大链路放大，然后通过分配合成网络合成大功率射频信号输出。电源系统为发射机提供能量输入，控制与保护电路控制发射机的工作并实行健康监测，提供过压、过流和过温保护。

图1 典型大功率固态发射机系统框图

发射机的布局遵循模块化、便于维修和美观大方的原则。功放与分配器、合成器之间的连线有等长要求，因此尽可能将分配器、合成器布置在功放模块的中心位置。电源模块的布置以方便与功放模块之间的走线为原则。某大功率固态发射机布局如图2所示，根据雷达服役期间三级维修体制要求[4]，将数量较多、只能单向维修且需要频繁更换的末级功放组件和电源模块设计成应用盲插技术的快速插拔模块。

图2 某大功率固态发射机布局图

功率管的选择是模块化设计的基础，优先选用最高结温大、结壳热阻低、效率高、热稳定性好和性价比高的功率管。表1中某厂商的两种输出功率大小不同的功率管在相同使用条件下的效率基本一致，大功率管型的热流密度是小功率管型的2.4倍左右，这将给系统散热设计带来极大压力。因此，图2的末级功放中采用3个小功率管合成大功率输出，以降低热设计难度。

表1 某厂商两种管型功率管指标对比

2 大功率互联

发射机内部分配合成网络与放大链路之间存在多级大功率互联环节，其中射频同轴连接器在传输大功率时，既承受高电压，也有大电流通过。如果选用不当，会造成击穿、打火、过热、电磁干扰等故障。因此，从峰值功率、平均功率和屏蔽效能三方面进行大功率射频连接器选型。

2.1 峰值功率与平均功率

同轴连接器所能传输的极限峰值功率Pmax可以用公式（1）进行估算。

式中，A为常数。可见，连接器的极限峰值功率与内导体尺寸、介质尺寸、介质的材料特性以及频率应用范围相关。当单元电路的特性阻抗一定时，内导体直径越大，介质的抗电强度越大，连接器的极限峰值功率就越大。在内导体与介质一定的情况下，连接器承受的最大功率随信号频率的升高而降低。在脉冲大功率发射机应用中，脉冲很短，信号瞬时功率大，互联主要考虑峰值功率。

连接器传输的平均功率Pav是峰值功率Pmax与占空比d的乘积：

连续波发射机的互联着重考虑平均功率。一般来说，在设计选型时应优先选择散热条件好、耐高温、接触电阻小、接触件弹性好、接触可靠性高以及电压驻波比低的连接器[5]。如果连接器传输的平均功率过大，且散热条件欠佳，就易出现内部过热，导致介质和接触件变形，从而影响电性能，甚至会发生内、外导体间的短路，严重时会烧毁连接器。

2.2 屏蔽效能

一般用屏蔽效能S来度量连接器的屏蔽性能，用分贝（dB）计量：

式中：E0（或H0）表示无屏蔽体时空间某点的电场强度（或磁场强度）；E1（或H1）表示有屏蔽体时空间该点的电场强度（或磁场强度）。

常用的螺纹拧紧式SMA（Sub-Miniature A）连接器与盲配型BMA（Blind-Mate A）连接器的使用频率范围及耐功率水平相当，内导体接触件的外径均为0.9 mm。两型连接器在2～3 GHz频率范围内采用模式搅拌法[6]实验测得的屏蔽效能见表2。

表2 两型连接器屏蔽效能对比

由表2 可见，盲配型BMA 连接器的屏蔽效能明显低于螺纹拧紧式SMA 连接器。总体而言，在2～3 GHz频率范围内，随着频率的升高，连接器的屏蔽效能有所降低。同时，屏蔽效能一定，功率越大，泄露功率的绝对值也越大。如果射频同轴连接器的泄露过大，传输信号会产生失真、相互干扰等问题，进而影响系统电性能。

图2所示的发射机采用低频段连续波工作模式，快速插拔模块末级功放低功率输入选用BMA盲配型连接器，大功率输出选用G9盲配型连接器，因盲配型连接器的屏蔽效能相对较低，额外的电磁防护措施仍有必要。

3 电磁防护

影响大功率固态发射机电磁兼容特性的主要因素包括功放模块的腔体效应、孔隙泄露、传输线路的不连续性以及通道间耦合等。结构设计时，从空域和能域两个维度进行电磁防护。

空域防护就是采用空间分离或空间隔离措施实现电磁屏蔽，避免发射机与其他电子设备相互干扰。常用的电磁屏蔽材料有导电材料、金属簧片、金属丝网、通风波导窗等，如图3所示。金属接触面之间的缝隙采用导电材料（导电衬垫、导电胶条、导电胶、导电涂料等）填充；在机箱、机柜的门中采用金属簧片能保证开合结构中的电连续；通风口处安装屏蔽波导窗可以提升开式结构的屏蔽效能；采用屏蔽护套包裹电缆，提高电缆抗干扰能力。

图3 常用的电磁屏蔽材料

能域防护就是采用吸波材料对投射到表面的电磁波通过电损耗、磁损耗或介电损耗来消耗电磁波能量而不反射，从而阻止有害能量进入设备内部。吸波材料可以制成尖劈状、平板、液态胶、涂层等多种不同的形态。平板形的吸波材料直接粘贴在金属板上；液态吸波胶水应用于形状不规则空间和小孔填充；吸波涂层应用在大面积的结构表面；复杂异型结构可定制注塑的吸波材料。

4 大电流馈电

大功率发射机馈电所传导的电流往往高达几百安培，一般需多个电源并联使用。馈电结构的设计又受空间、环境等因素的限制，一旦结构不合理，连接不可靠，就易发生馈电打火，甚至烧毁馈电。

大电流馈电的汇流条常使用导电率优良的金属如黄铜、紫铜等材料制成，以期达到均流效果，并减少直流馈电的压降。当汇流条的安装空间受限时，采用导体和绝缘体相间安装的层叠式结构，如图4所示。汇流条结构形态与截面参数的设计着重考虑其传输路径上的阻抗（电阻、电容、电感）、温升、电磁兼容特性以及可靠性等因素[7]。

图4 层叠式汇流条结构示意图

从设备和人身安全性考虑，汇流条外表面采用具有高电阻和阻燃特性的环氧、聚氯乙烯或有机硅化合物等绝缘材料包裹。

常规汇流条为硬质结构，采用铜板折弯或铣削加工成型。当汇流条为复杂构型时，需要拆分成几个简单构型零件，再用螺栓连接成型，以降低加工成本。如果连接部位的螺栓未完全紧固或因振动而松动，往往会发生汇流条打火，引发故障。

当汇流条的两个连接部位位置误差较大，或者需要在固定件与移动件之间进行互联时，需要采用柔性连接。常用的柔性连接包括电缆组件、软母线、金属编织带、柔性印制板等，其成型方法与特性如表3所示。

表3 不同柔性连接方式对比

5 抗恶劣环境设计

5.1 热设计

风冷大功率固态发射机热设计的主要任务是选择合理的风机，优化风道及冷板结构，将发射机工作中的损耗热量带走，达到降低功率管结温的目的。

以图2所示的发射机为例，发热量主要集中在12 个末级功放内，每个末级功放选用一只PAPST 6314/2TDHP型轴流风机直接提供冷却风，机柜顶部后方安装一台R6D 450-AN01-01型离心风机，用于把机柜内的热风排出舱外。单个末级功放内安装有3个功率管，功率管焊接在铜板上，铜板通过螺钉与带翅片的风冷冷板连接。功率管热传导路径如图5所示。

图5 功率管传热途径

功率管热耗为200 W，结壳热阻为0.2°C/W，按晶体管III级降额要求，功率管结温应不超过160°C，则壳温≤结温−热耗×结热阻=160−200×0.2=120°C。

仿真分析的边界条件如下：供风温度为50°C，工作环境温度为50°C，1个标准大气压，冷板选用6063铝为基板，基板厚5 mm，冷板上焊接高22 mm，厚0.3 mm，间距2.9 mm的锯齿型翅片。单只功率管热耗为200 W，功率管尺寸为34.1 mm×9.9 mm，热流密度为59.2 W/cm2，功率管和铜板的焊接热阻设为0.05 (cm2·°C)/W，铜板与冷板的接触热阻（采用导热硅脂）设为2(cm2·°C)/W。

图6中的仿真结果表明，功放组件风冷冷板进出口的压损约为107 Pa，考虑实际组件内其他结构件的遮挡作用以及风道内的压力损失，实际压降按200 Pa计。风机工作点风量为400 m3/h时，压头为220 Pa，满足使用要求。在供风温度为50°C时，功率管壳温最高为109°C，小于120°C，满足器件的最高工作温度要求。

图6 某发射机热设计的仿真分析

5.2 除尘设计

在大功率发射机中，调制管、滤波器、磁芯、线圈、线缆等发热器件的外形不平整，一般不易将热量传导至常规散热器上进行冷却。含此类器件的单元常采用开放式结构，利用通风机直接抽取外界空气冷却其表面。这种发射机对外围环境的空气洁净度和湿度要求极高。如果环境空气质量较差，大量粉尘、毛絮、蚊虫等会被通风机直接送入发射机内部，污染发射机内部的印制板、集成电路等。大量的粉尘附着在印制板和电讯器件上，不仅会影响设备的散热性能，而且会因粉尘中携带的潮气、金属粉末等附着在器件的引脚上，造成积尘部位绝缘度下降，进而导致电路短路或者器件被击穿，大大降低了发射机的可靠性。因此，必须采取相应的除尘措施，以改善工作环境，从而提高发射机的可靠性。

如图7所示，风冷固态发射机可以采用串接除尘器和封闭式环控两种方法进行除尘。

图7 发射机除尘示意图

5.2.1 串接除尘器除尘

常规开放式风冷发射机直接与外部环境进行穿透式热循环。因此，在外界新风进入机房前，采用除尘器自动高效过滤、除尘，阻止外界的灰尘、毛絮、蚊虫等进入发射机房内部，从而达到净化机房的目的，避免发射机内部出现积尘。图7（a）所示的开放式风冷不需要考虑制冷，成本相对较低，实施简便。只要选择合适的除尘器，便能够以较小的代价满足机房内环境洁净度要求，解决大功率发射机的除尘问题。常用的除尘器有过滤式除尘器、静电除尘器、机械式除尘器、湿式除尘器等[8]。文献[9]采用袋式除尘和水洗风除尘的多级除尘模式解决了恶劣环境条件下风冷式全固态广播发射机的除尘问题。

5.2.2 封闭环控除尘

封闭环控风冷采用空调设备为发射机机房提供环控冷风，维持机房内环境温度在合理范围内。发射机与机房内的冷空气进行热交换，发射机的热量通过空调室外机最终耗散到外界大气中，如图7（b）所示。在这种方案中，发射机不直接与外界恶劣环境进行热交换，因此室内环境相对洁净，发射机内积尘较少。

封闭环控风冷可以实现整机防尘，除尘效果好。但是，封闭环控的冷却方式需要同步考虑制冷量，硬件成本高，耗电量大，运行成本高，而且存在室内设备体积大和工作噪声大的缺点。

5.3 降噪设计

大功率固态发射机热流密度大、热耗高，内部需要的风机数量多、噪声大，根据SJ 20134—1992《军用电子设备噪声控制要求》，室内侧工作噪声应不大于75 dB(A)。图1所示的发射机在未采取特别措施的情况下，在发射机前侧1 m处，采用噪声仪测得的噪声为84 dB(A)，调试和维修人员的舒适性差，甚至可能危害人员的身心健康。

从风机噪声产生机理来说，噪声主要包括空气动力噪声和机械噪声。空气动力噪声既有风机叶片周期性打击周围空气而产生的旋转噪声，也包括叶片出口处的边界层分离脱流而造成的涡流噪声；而机械噪声主要由风机制造和安装过程中的缺陷（如风道和安装支座的振动、风机转子不平衡等）引起。在结构设计中采取的对应措施包括：选用可调速的风机，在满足冷却需求的条件下，根据不同工况动态调整风速，可降低非满功率工况下的设备噪声；在进出风口增加整流罩，减弱由空气不均匀引起的空气动力噪声；在发射机柜、风机与基座之间安装阻尼减震器以减弱风机振源传递给机柜的结构振动。

在声传播过程中综合运用吸声和消声进行降噪，主要措施是在发射机进出风口安装消声器，在发射机机柜内壁粘贴吸音棉。消声器采用小孔消声器，其原理是当气流以相同流速向出口排放时，出口直径越小，产生的噪声频率越高。某吸音棉不同厚度的声吸收性能如图8所示，噪声频率越高，声吸收性能越优。消声器和吸音棉的综合应用使降噪效果达到最佳。

图8 某吸音棉性能

采取上述措施后，在发射机前侧1 m处，采用噪声仪测得的噪声降为71 dB(A)。同时从声接收者角度进行保护，发射机具备远程监控功能，设置监控区和设备区，监控区与设备区之间采用墙、板等进行声隔离，使设备调试和使用人员尽可能远离噪声源，从而提升用户体验。

6 结束语

随着技术的进步，大功率固态发射机集成化、小型化、轻量化等要求在逐步提高，影响风冷大功率固态发射机稳定运行的因素必然日趋复杂。本文提出的方法和措施解决了结构设计中的部分问题，但仍存在一些关键技术值得研究。例如，大功率合成器与功放组件一体化设计可以改善电性能并减小系统体积。深入研究大功率盲插、波导盲插、垂直互联等技术有助于解决大功率发射机一体化设计问题，对大功率固态发射机集成化、小型化和轻量化设计大有裨益。此外，大功率发射机采用的冷却风机风量和压头一般较大，风机周期性转动会对发射机产生振动干扰。当零件的固有频率与激振频率相同时，会产生共振，可能破坏调谐电感等振动敏感器件的工作状态，从而影响发射机的性能，这在工程应用中也需加以充分考虑。