一種陣列天線自動溫控系統的設計與實現

孟凡娟

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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一種陣列天線自動溫控系統的設計與實現

孟凡娟

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

摘要為滿足陣列天線熱穩定性要求，針對陣列天線系統結構特點，進行了基于PLC技術的溫控系統自動控制設計與研究。基于陣列天線系統射頻組件功放模塊的散熱總量和熱量分布特點，確定了本自動溫控系統的設計方案。對溫控系統的工作流程進行了簡要介紹，并測試與分析了冷卻通道的關鍵參數，實現了陣列天線自動溫控系統的PLC自動控制，提高了可靠性和自動化程度。實測結果也證明了這套溫控系統的可行性，對無人值守、遠程監控陣列天線溫控系統設計具有一定的實用價值和借鑒意義。

關鍵詞陣列天線；溫控系統；射頻組件；熱設計；自動控制

Design and Implementation of an Automatic Temperature Control System for Array Antenna

MENG Fan-juan

(StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThis paper presents the research and design of a PLC-based automatic temperature control system aiming to meet the thermal stability requirement of a given array antenna,according to antenna’s structural characteristics.Design is based on the radiating distribution and total heat emission of the RF amplifier module in the antenna system.The paper briefly introduces process of the control system,tests and analyzes major parameters of the cooling channels.This control system successfully applies PLC automatic control technology into array antenna cooling system,and improves system reliability and automation.The feasibility of this temperature control system has been proved by a series of well-designed experiments.Such system has considerable practical and referential value in unmanned and remote array antenna temperature monitoring system.

Key wordsarray antenna;temperature control system;RF module;thermal design;automatic control

0引言

正常工作的電子設備對環境溫度有一定要求，研究資料表明：具有大功率器件的電子系統，冷卻不良以及電子元器件過熱是引起電子元器件損壞和失效的主要原因[1]。

陣列天線是由多種電子器件組成的密集集合體，需要長時間無故障工作。它由許多輻射單元與射頻組件相聯接構成一個大陣面，當陣面上少量組件失效時，并不會給天線系統運行帶來致命的后果，但當多個失效單元具有相關性時其影響會很嚴重[2]，在進行天線總體設計時必須避免這種狀況發生。

國內在80年代就已經開始進行天線陣面溫控問題的研究工作[3-4]。從研究結果來看，根據熱流密度的大小，采取強迫氣冷、強迫液冷和高效熱管技術等，都可以保證射頻組件發熱元器件的正常工作。但對于無人值守的全天候運行系統，如何實時掌握、監控溫控系統運行狀況是非常必要的，需要做進一步探討與研究。

PLC控制技術是在工礦企業被廣泛應用的成熟技術，是以計算機技術為基礎的專為工業環境設計的數字運算控制裝置，具有功能齊全、使用方便靈活、可靠性高、搞干擾能力強以及易于維護等優點。已成功應用在試驗箱溫度控制、水電廠控制系統等多個領域[5-6]。該技術在陣列天線上的應用還鮮有報道。

本文采用PLC控制技術，結合風機風速可調特性對陣列天線溫控系統進行了熱設計，實現了冷空氣按需分配。使天線陣面在獲得良好熱穩定性和均溫性的同時，還實現了實時監控、數據查詢、故障報警和通訊等多種功能。

1設計方案

1.1自動溫控系統

有源陣列天線射頻組件陣面流程如圖1所示，外形尺寸為2 010 mm×1 920 mm×385 mm，由4個獨立區域拼裝，每個獨立區域有5×15個射頻組件按順序排列，間距為120 mm，單套組件最大發熱量為35 W。工作時環境溫度由環控系統保證為22 ℃±2 ℃，并且環控系統管道進出風口配合溫控系統設計，工作時無人值守。系統散熱要求組件壁面溫度<45 ℃，任何射頻組件間的不均衡溫差不超過10 ℃，具備自動監控、報警和遠程通信等功能。

圖1　有源陣列天線射頻組件陣面流程

從工程實際出發，經發熱密度計算[7-8]，確定溫控系統的設計方案為強迫空氣自動溫控系統。

如前所述，系統在結構上對陣面分成了4個彼此獨立的區域，每個區域端頭安裝了一個風機組(8個風機)。當部分風機發生故障時(特別具有相關性時)，所對應組件通道內冷空氣流量勢必會減少，這就需要風機組內的其他風機參與進來共同承擔任務,均勻分配冷卻空氣來實現按需配冷。因此，對風機的控制方案為：通過監測溫度、風速等工藝參數來自動調整風機轉速，每個風機組只負責一個獨立區域，對每個風機進行單獨控制。

1.2控制流程

圖1可以看出，其組成為：控制柜(下位機)、上位機、風機組、傳感器和變送器等。整個控制系統采用上位機和下位機二級控制，通過軟件實現人機交互，并監視現場設備的實時運行參數。上位機是工業控制計算機與下位機一起通過組態軟件實現人機交互；下位機為PLC控制系統，通過邏輯控制程序執行軟件傳送來的命令，對現場設備直接進行控制，并采集現場數據。工作時，上位機與下位機之間通過總線實現遠程連接，上位機讀取PLC存儲器中的變量信息，同時向下位機發出指令，即改變PLC存儲器中的變量值來控制設備的運行，以實現遠程控制。

各部分的作用如下：

溫度傳感器負責監視射頻組件溫度，如果發現溫度未達到預定值就會通知PLC系統進行相應計算；風速傳感器采用傳感器和變送器一體化設計，工作時，傳感器將采集到的風速信號傳遞給變送器，變送器將其轉換為電流信號傳遞給PLC模塊。系統采用的風速傳感器的測量精度為±0.2 m/s，分辨率為0.1 m/s；電流變送器串聯在風機電路監測風機工作電流值，并將該數值輸送給PLC判斷風機運轉情況，若風機運轉異常，及時發出報警信號。

系統選擇無級變速風機，其轉速調節范圍為0～4 550轉/min，適宜工作溫度為-20～+60 ℃，工作壽命65 000 h。

PLC所需電源模塊、MMC存儲卡、PCI通訊卡、模擬量輸入模塊和接口模塊等安裝在控制柜(下位機)中；溫度和風速傳感器布置在每個獨立區域的關鍵點部位。

1.3PLC控制策略

PLC控制原理如圖2所示。虛框表示PLC模塊，該模塊與風機、變送器等共同組成一個控制回路。框圖左邊的溫度信號1～n來源于射頻組件本身。當風機處于自動控制狀態時，利用PID閉環回路的控制，可使射頻組件溫度保持在設定的溫度范圍內。在回路中PID模塊通過接收的反饋信號與預設目標值進行比較，根據比較結果，輸出一個電壓信號來控制風機的轉速，達到調節溫度的目的。同時，一旦風機轉速發生變化，作為響應，現場采集的溫度信號也將隨之變化。變化后的溫度信號重新經過上述流程進入PID控制模塊，再次與目標值進行比較，循環往復，直到反饋信號與目標值相等。

圖2　PLC控制原理

如上所述，PID模塊是通過接收的反饋信號與預設目標值進行比較，用比較結果來控制風機轉速，下面就以其中一個獨立區域為例來說明運算方法。PLC算法模型如圖3所示，每個方框代表一個射頻組件，風機編號設為F01～F08，設5個測試點溫度為T1～T5控制程序將T1和T2進行比較，取最大值作為F01和F05風機的反饋值，同理，T2和T3的最大值作為F02和F06風機的反饋值等等。

圖3　PLC算法模型

這種算法能夠保證：

① 測試點位置的組件溫度可控制在預設溫度值附近；

② 在達到熱平衡狀態時，所有風機都參與控制，彼此分擔相同的責任。

需要說明的是，上述的控制策略并不受射頻組件獨立區域數量的限制，每一獨立區域均可以采用相同的控制策略。

1.4軟件需求

自動溫控系統采用組態軟件編程，上位機與下位機軟件共同設計實現下列功能：

① 實時顯示溫度、風速數據；

② 可查詢實時和歷史曲線；

③ 實時上報數據至監控計算機；

④ 具備自動手動切換開關；

⑤ 具有報警功能；

⑥ 口令管理；

⑦ 提供幫助信息；

⑧ 具備自動存儲、打印與查詢功能；

⑨ 設置通訊端口，保證正常通信。

2冷卻通道設計

利用空氣來冷卻電子設備發熱器件，是一種比較直接的冷卻形式，而冷卻通道是整個溫控系統的關鍵部分，其結構形式直接影響著功放組件的散熱效果。

由設計方案可知，系統由4個獨立區域組成整個陣面，每個獨立區域單獨完成溫控任務，2個相鄰區域間沒有空氣交換。因此，在相鄰獨立區域間用隔板封閉，不開通風孔等孔洞。在每個獨立區域內設計出由承載射頻組件的框架、散熱肋片、導流板以及安裝風機的散熱單元來共同構成。其中散熱肋片和導流板安裝于射頻組件上，其陣面風道示意圖如圖4所示。

圖4　陣面風道示意

每個獨立區域都被整齊排列的5列射頻組件均勻分成了4個小的冷卻通道，通道為減小阻力設計為直線形，之間不再分隔。當冷空氣進入每個獨立區域后可以通過PLC的控制調配作用，使4個小通道中的組件溫度趨于一致。通道截面形狀及尺寸取決于射頻組件輪廓、導流板形狀以及承載框架的結構設計。

2.1肋片及導流板設計

每個射頻組件都含有一個功放模塊，布置于射頻組件的末級，本身不自帶風機，其熱量交換途徑主要為散熱肋片，散熱肋片的設計質量直接關系到陣面的冷卻效果及發熱單元工作的可靠性[9]。在本系統射頻組件的結構設計中，對散熱肋片進行了多種方案的熱仿真優化，結果表明，散熱肋片在齒高35 mm，齒厚2 mm，間距8 mm時風阻最小，傳熱效果最佳。

散熱肋片采用防銹鋁合金板材加工，其優點是機加工性能好、輕巧牢固、傳熱效率高和抗振性能好。機械加工后進行導電氧化防護。為了保證散熱肋片基板與功放模塊接觸良好，結合面機加工表面粗糙度不低于Ra3.2 μm，并涂導熱脂，用數個M2.5的螺釘固定。

導流板是為增加散熱肋片處的冷空氣流量而設置的，在冷卻通道中起部分分流作用。散熱肋片及導流板示意圖如圖5所示。

圖5　散熱肋片及導流板示意

2.2散熱單元設計

散熱單元由一個箱體和風機、濾塵網共同構成。箱體是風機的安裝基礎，用優質冷軋鋼板制造，為提高剛性在箱體表面壓制了深度為2.5 mm的加強筋，并在開口法蘭端面設計了數個安裝孔，用螺栓與射頻組件承載框架組裝聯結，結合面密封處理。箱體具有一定深度，當一個或多個風機發生故障后對風量有一定的調節作用，使冷空氣均勻分布至每個獨立區域，保證系統仍能可靠穩定運行。散熱單元外觀設計如圖6所示。

圖6　散熱單元外觀

3工程驗證

按上述的溫控系統設計方案進行設計，并編寫PLC控制系統程序，在陣面功率最大、環控系統正常工作、預設溫度為37 ℃時，對溫控系統進行了不同工況下各種參數的測試。測試結果表明：在環控系統正常運行，每個獨立區域風機組風機失效25%時情況下，溫控系統調控下的射頻組件主要模塊溫度始終保持穩定，相互間溫差不超過5.8 ℃，滿足不均衡溫差10 ℃要求。

表1、表2、表3和表4是摘錄了其中2種工況下幾種參數的測試數據。

表1　風道參數測試結果(F04/08損壞，其余自動)

表2　對應表1工況風機轉速　(單位：轉/min)

表3　風道參數測試結果(風機全部自動)

表4　對應表3工況風機轉速　(單位：轉/min)

另外預設溫度可以在一定范圍內設定。其他軟件功能如實時曲線和歷史曲線查詢等均已一一實現，在此不再詳述。

4結束語

綜上可見，用PLC技術對陣列天線射頻組件陣面熱控系統控制的優勢是顯而易見的，也證明了基于PLC控制的風冷溫控系統的可行性。系統設計結構緊湊、技術實用、成本低廉、易于操控、污染小并且運行可靠。從實際完成后的實測結果來看，溫升一致性好，在25%風機失效情況下不均衡溫差為5.8 ℃，同時實現了自動控制、遠程監控和無人值守等目標，取得了滿意的散熱效果。系統運行幾年來，溫控系統運行良好，不僅保證了陣列天線的正常運行，還大大減少了技術人員巡檢次數，節約了經費開支。

參考文獻

[1]張兆光.固態有源相控陣雷達冷卻技術探討[J].現代雷達，1996，2(1)：88-95.

[2] 汪一心，朱桓，徐曉文,等.陣列有源天線單元失效的影響與補償[J].現代雷達，1998，20(4)：58-62.

[3]魏忠良.相控陣天線陣面的熱設計[J].電子機械工程，2003，19(4)：15-18.

[4]葉菁.一種相控陣雷達天線的散熱風量分配[J].現代雷達，1999，21(3)：95-99.

[5]夏鑫.基于PLC的熱循環試驗箱溫度控制系統[D].南昌：南昌大學,2012.

[6]何東健.PLC技術在水電廠控制系統中的應用[J].現代冶金,2010，38(4)：48-50.

[7]趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[8]余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[9]糜勇，孫費梅.機載有源相控陣天線冷卻技術研究[C]∥2005機械電子學學術會議論文集，2005:306-309.

孟凡娟女，(1963—)，工程師。主要研究方向：電子設備結構設計。

作者簡介

中圖分類號TN03

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0067-04

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.17

引用格式：孟凡娟.一種陣列天線自動溫控系統的設計與實現[J].無線電工程,2016,46(4):67-70.