有源相控阵雷达TR组件参数化热设计
2023-01-09刘继鹏苏力争胡凯博胡耀辉赵晓东光凯惠
刘继鹏 苏力争 胡凯博 胡耀辉 赵晓东 光凯惠
(西安电子工程研究所 西安 710100)
0 引言
有源相控阵雷达是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，以其波束转换的灵活性、多功能、抗干扰和高可靠性等突出优点成为了雷达领域目前最主要的发展方向。但是要提高有源相控阵雷达作用距离，一方面需要提高天线阵面的功率口径积，增加固态收发组件(T/R模块)的数量，另一方面还需要提高单个T/R组件的功率，使得有源阵面内的组装密度和热功率密度都很高，这给雷达冷却系统提出了严峻的挑战。高效、可靠的热控制实现技术是相控阵雷达研制过程中的关键技术之一[1～2]。
相控阵雷达热控制系统的研制过程中，需要对组件内温度场、阵面内的流场等进行必要的仿真分析，作为产品论证分析和优化设计的参考。特别对于大型相控阵雷达，通过仿真得到其流场及温度场的分布，将对设计具有重要的指导意义。如何建立一套有效的快速热设计仿真系统来减少设计失误，增加热设计可靠性，以及对结构设计进行优化，从而有效缩短产品的研制周期，减少设计中的反复和研制风险，成为有源相控阵雷达热设计的研究方向[3～4]。
1 目前有源相控阵雷达热设计的问题
Flotherm作为电子热仿真分析软件，在雷达电子设备结构设计中用于热仿真分析以解决雷达结构的散热问题[5]。Flotherm在有源相控阵雷达热仿真分析存在以下几个特点：
1)小批多型，仿真工作量大。需要将雷达电子结构中典型结构形式共性的几何参数来直接生成Flotherm热仿真分析模型，避免在Flotherm中简单重复构造热仿真分析模型。
2)研制周期短。需要通过对有源相控阵雷达热仿真分析模型进行多次参数化仿真分析来快速寻找合理散热方案，缩短热设计时间。
3)仿真界面不友好。需要提供普通设计师一个友好的界面，通过雷达电子结构中结构几何参数化设计和热仿真，以便对设计方案做出初步预估。
由于有源相控阵雷达多为由T/R模块组成的平面阵，其结构具有通过几个几何参数就可以建立热仿真分析模型的特点，使得参数化热分析仿真流程自动化更有意义。而且由于波束控制技术(例如移相、数字波束形成(DBF)和自适应零点波束形成(ANBF))应用，在相控阵雷达中波控计算机、数据处理系统和中心计算机大量应用VPX及CPCI标准的3U到7U的风冷和导冷机箱，上述机箱的结构也具有上述特点，这些相控阵雷达重要组成设备热问题同样适合用参数化热分析仿真方法解决。本文所阐述的方法同样适用于上述天线面阵和机箱的热仿真分析。
2 Flotherm参数化热设计实现方法
基于Flotherm提供的XML数据接口，把几何模型参数传递到到Flotherm热仿真分析参数化模型中，生成的数据接口为XML格式的文件。然后用程序调用Flotherm命令行计算提交生成的XML格式文件，再从分析结果(Excel文件)中提取仿真分析结果模型中的最高温度，以此判断该结构热设计方案的可行性。
2.1 XML语言
XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)是近年来得到广泛应用的一种基于Internet的元数据置标语言。最大的特点是XML是独立于软件和硬件的纯文本的信息传输工具，因此XML成为各种应用程序之间进行数据传输中最常用的工具[6]。Flotherm与应用程序之间就是通过XML传递数据的。
2.2 Flotherm提供的XML数据接口
Flotherm提供的是XML_Schema标准来描述仿真分析形成的XML文档的数据结构。通过定义和描述Flotherm仿真分析XML文档的数据结构和内容，以及Flotherm仿真分析XML文档中存在哪些元素和元素间的关系，并定义Flotherm仿真元素和属性的数据类型来形成Flotherm仿真分析XML文档。
Flotherm仿真分析的XML文档的数据结构见图1所示。
以T/R模块中固态功率放大器的为例，其参数化模型的XML语言的描述可以用图1中虚线框的cuboid复合元素来实现，见下例:
图1 Flotherm的XML数据结构图
‘(局部坐标系设置)
‘(有没有局部化网格)
‘(材料钨铜——参数化变量)
‘(发热量——参数化变量)
2.3 VB实现flotherm参数化仿真分析
通过VB编程可以将用户界面中的参数传递到Flotherm所需要的仿真分析xml文件中，然后调用Flotherm对形成的仿真分析xml文件进行解算后，从生成的结果文件(excel表格文件)中获得热仿真分析中计算域中的最高温度点和位置，返回到用户界面中。(见图2中的参数化分析流程图)
图2 flotherm参数化分析流程图
2.3.1 T/R模块热仿真分析用户界面设计
T/R模块主要由数字移相器、激励放大器、固态功率放大器、输出收/发开关、限幅器、低噪声放大器、数控衰减器、环行器等组成，见图3[7]所示。尤其是固态功率放大器受温度影响较为明显。
图3 T/R模块组成典型照片
根据上述典型T/R模块的结构参数，提供三个用户界面，见图4所示。
图4(a)显示输入T/R模块外形尺寸和材料(壁厚并不相同)；图4(b)显示输入典型热源(固态功率放大器)热量、大小、位置和材料[8]；图4(c)显示输入外界风速的方向、大小、环境温度和是否在最大热源处添加传感器。
图4 T/R模块参数模型输入界面
2.3.2 VB编程来实现对xml文件的读写
使用Call语句来将实现打开xml文件并写入flotherm仿真分析xml文件头(声明)：
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编程实现调用flotherm命令行对flotherm仿真分析的xml文件进行解算：
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对象来实现对flotherm命令行的调用并对仿真分析模型的xml文件进行解算，将解算结果放入C盘temp子目录下。上述编程实际上就是调用了下述命令行对仿真分析模型进行解算。
Flotherm-b c: TRcomponent.xml -o c: emp
2.4 参数化T/R模块Flotherm模型
某X波段T/R模块的参数见表1所示，形成的热分析模型见图5所示，需要指出的是参数化模型中的固态功率放大器是焊接在壳体上的，由于散热功耗比较低，所以没有采用功率芯片焊接装配热模型，芯片上的温度可以根据功率芯片装配形式用相应的等效热阻计算得到[8]。
表1 T/R模块参数表
图5 T/R模块参数化模型
2.5 参数化T/R模块仿真分析结果
通过可视化用户界面参数化修改风速，可快速得到不同风速下的热仿真结果，如图6所示，从分析结果可以看到，该T/R模块需要在5m/s的风速散热才能正常工作，最高温度出现在2W的固态功率放大器上，最高温度为80.6℃，温升30.6℃，从文献[9]中散热分析和试验的相关论述和实验结果可以得出结论：该T/R模块适合采用天线静压箱孔板散热的通风方法。
图6 热仿真分析结果对比图
3 结束语
本文利用热分析软件Flotherm提供的XML数据接口，基于VB软件编写了热仿真模型的参数化造型和参数化修改程序,实现了功率模块温度场模型的自动化生成和用户界面的可视化。一方面减少了热分析师建立有源相控阵雷达系统级仿真分析模型的时间，并通过友好的用户界面程序使得热仿真分析便捷化；另一方面，通过该方法实现了雷达热仿真分析流程自动化后，还可用于多学科多目标优化工具软件(例如Matlab，Isight等)调用该热仿真分析流程，通过优化算法设定和修改热设计变量以达到优化热设计的目标，为设计有源相控阵雷达提供可靠、有效的设计依据。
该方法还可推广用于建立有源相控阵雷达天线面阵、信处风冷或导冷机箱、二次电源和天线收发机柜参数化热仿真分析流程中，同时对实现各种电子结构热仿真分析流程自动化具有借鉴意义。
