某雷达平面阵列天线风冷研究*

2024-01-02关宏山

电子机械工程 2023年6期

关宏山

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

引言

相控阵天线是现代相控阵雷达的核心设备，在一定程度上决定了雷达的系统方案，其中有源相控阵较无源相控阵具有更显著的性能优势[1]。但是有源相控阵雷达工作时，其有源阵列天线往往需要耗散巨大的热量，需要采取经济高效的冷却措施来保证其长期工作的可靠性[2–3]。

风冷和液冷是相控阵雷达冷却最常用的冷却方式[4–7]。伴随现代电子技术的飞速发展，设备热流密度持续增大，液冷在雷达冷却方面正得到越来越广泛的应用。但是，风冷具有设备简单、成本低、可靠性高、安全性好等诸多优点，仍然是目前雷达冷却设计时需要优先考虑的方式之一。

某雷达平面阵列天线的有源设备热流密度不高，为实现低成本、高集成度的双重设计目标，确定采用集中式风源供风的强迫风冷方案。因此，其冷却设计除了需要传统风冷方案设计（如风冷组件的优化设计）外，还需要解决单一集中式风源条件下大型平面阵列天线的冷却空气流量精确分配难题，从而保证天线阵面各有源设备工作温度的一致性。

目前，雷达冷却方面的风冷技术文献较多，但基本上均采用多风源的分布式风冷结构形式，难以实现高集成化和一体化，不符合雷达系统小型化、高集成化的发展潮流。然而，针对大型平面阵列天线采用单一集中式风源进行集成化风冷的文献较少。本文结合某相控阵雷达风冷系统的研制，对其组件热设计特别是集成化精确空气流量分配进行了详细论述，为实现类似的大尺寸多设备并联电子设备的集成化、一体化风冷设计提供了有益的借鉴。

1 物理模型

某相控阵雷达采用单一风源对大型有源平面阵列天线进行强迫通风冷却，冷却空气经空调降温增压后，经阵面下方的分风单元分为12路进入阵面前方的静压天线罩内，然后并联流经96个数字阵列模块（Digital Array Module, DAM），对DAM进行通风冷却。其物理模型如图1所示。

图1 雷达天线阵面物理模型

2 数学模型

本文的冷却介质为空气，作为一种流体，空气流动遵守的基本守恒定律是质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[8]。

质量守恒方程：

式中，u,v,w分别为x,y,z方向的速度分量。

动量守恒方程：

式中：ρ为流体密度；μ为动力粘度；p为流体压强。

能量守恒方程：

式中：cp为流体比热容；T为温度；λ为流体导热系数。

3 设计方案

该相控阵雷达有源平面阵列天线采用模块化分布式设计。天线宽约4.32 m、高约0.88 m，水平向包括6列DAM，竖直向包括16行DAM，每4个DAM为一个数字阵列单元（Digital Array Unit, DAU）。全阵面共96个DAM，主要技术指标如下：

1）风冷阵面尺寸为4.32 m×0.88 m；

2）风源形式为单一空调集中送风；

3）总风量≥5 000 m3/h；

4）分风支路数为96路，6列、16行；

5）DAM热耗为单件200 W；

6）DAM温度≤75°C。

天线阵面冷却方案设计除了需满足上述小阵要求外，还需验证今后天线阵面扩充后冷却方案的适应性。由于天线结构的相似性，天线水平方向扩充对冷却方案难度的影响不大，因此本系统研制时重点验证天线高度方向扩充对冷却方案的影响。考虑车载公路运输尺寸的限制，方案验证时将天线电讯口径高度由0.88 m扩展为2.2 m，即天线竖直向DAM由16个扩展为40个。

如前所述，整个天线阵面采用风冷冷却。通风方式为前后通风，即空气沿着DAM的深度方向（天线阵面的法向）流动，并要求阵面上所有DAM的供风尽量均匀。结合本雷达阵面的结构特点，决定采用静压箱孔板送风方案。该方案利用天线罩与天线反射板之间的空腔形成静压箱，在DAM前方的天线反射板上开若干通风孔形成孔板，气流由静压箱下部进入，经孔板流经DAM散热器进行散热。因此，冷却系统主要由风源、过渡风管、分风单元、静压箱（天线罩）、孔板、DAM散热器等组成，具体工作原理如图2所示。

图2 天线冷却设计原理图

3.1 风源设计

风源是整个冷却系统的动力来源，主要为系统提供适宜的冷却空气，可以是大型风机或空调器等，其主要技术指标为风量、风压等。本系统为试验系统，风源为某空调样机，风量约为6 000 m3/h，压头为350 Pa。

3.2 过渡风管设计

在空调出口与阵面送风口之间需连接一段过渡风管，以匹配两者之间的高度及方向差异，同时满足雷达阵面0°～15°的俯仰动作要求。此外，风管结构设计还需重点考虑尽量减小空气流动阻力，因此过渡风管采用大部分金属折弯加局部帆布的复合结构形式。

3.3 分风单元设计

由于空调送风口较小，仅有约0.6 m×0.22 m，而试验小阵天线阵面宽度达到了4.32 m，宽度比超过7。仿真分析发现，如果直接采用与空调送风口相等的矩形进风口将风送入阵面，DAM进风的均匀性较差，不能满足设计要求。因此，有必要设计一个分风单元将风源送过来的集中式空气合理分配到整个天线的宽度方向上。

经设计，分风单元采用矩形壳体形式，尺寸约为4.32 m×0.25 m×0.6 m，安装在阵面的下方，位于过渡管道与静压箱之间，内部设计一定数量的分流挡板。仿真分析发现，采用分风单元后，DAM进风的均匀性大大提高。为了减小计算量，基于结构的对称性，取分风单元的一半进行仿真。图3为1/2分风单元内的风速分布，可以看出分风单元出口处风速具有良好的一致性，达到了预期目的。

图3 1/2分风单元内的风速分布

3.4 静压箱设计

本系统的静压箱由雷达天线罩构成，因此除了环控通风要求外，静压箱还需同时满足电讯系统的透波相关技术要求。经综合考虑，天线罩确定采用矩形结构形式，安装于雷达阵面的框架上。通过仿真分析将天线罩内部净空间高度确定为200 mm左右。

3.5 孔板设计

孔板起到调节DAM供风口开孔率的作用，与静压箱配合使用以实现DAM的均匀供风。为简化系统，提高天线的集成度，本系统将孔板与天线阵面反射板一体化设计，因此需要兼顾通风与电磁辐射的双重要求。经优化设计，孔板最终采用圆孔结构形式，每个DAM开约140个Φ5通风孔。为了减小计算量，同样基于结构的对称性，取分风单元与天线阵面的一半进行仿真。图4为1/2系统内的风速分布，全阵面风速具有良好的一致性。

图4 1/2系统内的风速分布

3.6 DAM热设计

DAM外形尺寸约为720 mm×300 mm×50 mm，内部集成16通道的收发组件，单个DAM的发热功率约为200 W。考虑该设备的发热量较小、热流密度不大，常规设计即可满足散热要求，因此其热设计的重点是对散热器进行优化，以获得尺寸、重量、可制造性以及温度水平的平衡。优化以专业热仿真分析软件为工具，重点对DAM散热器的翅片长度和间距进行评估。综合考虑DAM的温度水平、重量尺寸以及可制造性等因素，确定散热器的长度和间距分别为120 mm和5 mm，可以满足设计要求。

4 试验研究

4.1 试验目的

在大量仿真计算的基础上，通过试验来完善分风单元、静压箱以及孔板等关键部件的设计，优化单一集中风源条件下大型平面阵列天线的冷却空气流量分配设计，并验证目前所采用的阵面前后均匀分风方案的可行性。

为达到充分验证的目的，如前所述，试验以阵面高度方向扩展为2.2 m为研究对象。

4.2 试验方法

考虑到扩展后的阵面尺寸较大，内部模块数量多，完全加工制造成本偏高，且试验研究的主要目的是验证工程上阵面供风的一致性，因此在保证试验具有指导意义的前提下，需要尽可能缩小阵面面积。考虑到在阵面进行宽度方向扩展时，可以方便地在阵面宽度方向对送风口进行扩展，因此阵面冷却空气流量分配的主要难度来自阵面的高度尺寸。综上所述，确定试验研究阵面如下：竖直方向2.2 m，由40行DAM组成；水平方向1.44 m，由2个DAM组成。

试验阵面由3台风机提供试验所需的风量，空气经过渡连接管路、分风单元送往阵面静压箱，然后通过孔板经模拟组件排出。采用风速仪对经模拟组件排出空气的速度进行测量，以此确定阵面分风的均匀性，试验情况如图5所示。

图5 试验阵面现场

4.3 试验数据

采用风速仪测量每个DAM散热器出风口的风速。由于DAM尺寸较大，为使每个DAM的测量尽量准确，每间隔50 mm测量一次，然后取平均值。图6为第1行至第40行DAM的平均出风风速。

图6 DAM平均风速分布

4.4 试验分析与结论

由图6可知，阵面从最低处的第1行到最高处的第40行，通过DAM的空气流量的趋势基本上是一条直线，即DAM的流量走势从下往上基本均匀，表明本系统的相关设计和仿真正确、有效，对大型平面阵列天线采用集中风源前后分风的方式进行强迫风冷合理可行。

造成试验测量数据在趋势线上下波动的因素包括试验模拟散热器的加工误差（采用木材加工，一致性较差）、安装误差、人员测量误差等。

5 实物验证

在前期仿真分析以及试验验证的基础上对冷却方案进行进一步优化，并据此开展真实试验小阵的研制工作。图7为去天线罩后试验小阵实物图。

图7 去天线罩后试验小阵实物图

采用风速仪进行风速测量，考虑到安装结构的限制，以每个DAU为一组进行测量，每组测量16个不同位置并取平均值，进而得到整个阵面的风速分布。阵面的风速分布应是连续的，因此可据此判断阵面风量分布的均匀性。图8为全阵面不同位置的风速测量数据，可见全阵面风速具有良好的一致性，与仿真分析得到的趋势一致，表明相关设计合理可行。