某VHF+UHF波段數字陣列模塊結構設計與熱設計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

數字陣列模塊(DAM)是數字陣列雷達(DAR)的基本單元，其采用集成化和數字化技術，將射頻收發單元、本振功分單元、中頻數字收發單元和分布式電源等多個功能電路整合并一體化設計，完成雷達數字化收發、數據預處理和傳輸功能[1-3]。DAM大多集成度高、體積大、熱耗高，并且在地面、機載等數字相控陣雷達上使用數量較多[4-5]。因此，針地面或機載等平臺對DAM工作環境的要求，對DAM開展輕量化、密封防護、安裝維護和熱分析設計顯得尤為重要。在此，重點介紹了某VHF+UHF波段DAM結構設計與熱設計詳細設計方案，為開展相關頻段DAM結構設計提供一定的參考與借鑒。

1 結構設計方案

1.1 功能及結構組成

VHF+UHF波段數字陣列模塊(DAM)主要集成了8個模擬發射通道和8個模擬接收通道，2個數字化收發模塊和DC/DC電源模塊等，采用雙面模塊疊放的結構形式，正反兩面板間的信號互連采用射頻電纜焊接方式實現。接收通道完成回波信號的接收、放大、濾波和數字化接收，形成數字基帶信號，從而由信號處理分系統實現接收DBF；發射通道完成雷達波形信號的DDS形成、濾波放大，經功放到天饋分系統，其DDS波形形成技術能夠實現高精度相位控制，可以實現發射DBF。DAM的尺寸為600 mm×350 mm×60 mm(長×寬×高)，重量<15 kg。其外形結構如圖1所示。

圖1 DAM模塊正反面布局示意

1.2 DAM結構設計

DAM安裝在相對密封的機箱上，可很好地改善其使用環境。DAM上設計有安裝把手、掛鉤和螺釘安裝孔等。DAM采用掛鉤預安裝在機箱上，再通過螺釘固定在機箱安裝架上。同時通過安裝把手可方便DAM的快速拆裝、維護?？紤]到DAM內部功放模塊、數字板等發熱器件的熱耗，以及避免采用設計復雜的液冷管網，采用風冷散熱方式對DAM進行散熱，風機安裝于機箱上，在相對密封的機箱環境內為DAM形成良好的散熱風道。

2 關鍵問題及解決措施

DAM結構特點是模塊數量多、密度大，相互連接的電纜多，通道與通道之間的相互干擾多，使用環境惡劣，所以需要解決DAM模塊的密封防護設計、輕量化設計和電磁屏蔽設計等問題。此外，由于多路射頻收發模擬前端采用模塊均相同，數字部分采用的是多路集成一體化設計，所以射頻收發模擬前端模塊數量多，熱耗集中，因此DAM的散熱問題也是需要解決的關鍵問題之一。

2.1 密封防護設計

DAM安裝在一個機箱內部，避免了雨淋和陽光直接暴曬，因此組件設計可以按防淋型密封設計[6]。DAM上外接電連接器選擇密封型連接器。殼體與蓋板之間的密封材料選用具有導電及密封功能的導電橡膠繩，導電橡膠壓縮時靠其回彈力來密封，同時還具有對電磁波的屏蔽作用。殼體與蓋板之間采用不銹鋼螺釘連接，相鄰螺釘的間距與螺釘的直徑相匹配，同時設計時保證內部模塊固定安裝孔不與外部相連通。

2.2 輕量化設計

整個雷達收發分系統共有10個DAM，全部安裝在天線陣面上，單個DAM預估重量在20 kg左右。DAM數量多，重量大，因此DAM的輕量化設計意義重大。輕量化設計有如下措施：

a.統籌考慮DAM模塊布局、安裝固定、線路連接、電磁屏蔽、密封防護和散熱翅片等，同時控制內部模塊的體積和重量。從DAM布局示圖可以看出，射頻收發模擬前端部分占據了整個正面布局的60%面積以上，合理布局好射頻收發模擬前端部分是整體輕小化設計的關鍵。為滿足功放散熱要求，需要在射頻收發模擬前端背面布置散熱翅片，模塊與模塊之間采用小過渡微帶板進行信號傳輸，通道之間均采用1 mm的隔筋進行隔離。

b.采用薄壁結構實現殼體、蓋板輕小化設計，最薄處壁厚為0.7 mm，在適當位置增加加強筋。殼體與蓋板選擇輕質鋁合金材料。經輕量化設計后的DAM重量由預估的20 kg減重為15 kg以下。

2.3 電磁兼容性設計

為避免DAM內部通道之間相互串擾及DAM與外部系統之間相互干擾，對DAM屏蔽的具體措施如下：

a.16路通道之間都用1 mm隔筋分開，如有電連接的地方，在隔板上開盡量小的孔而隔板不被破壞，最大限度地減小通道之間的相互干擾。

b.提高蓋板與殼體配合面的精度，在可能泄漏的重要地方增加螺釘數量。

c.在射頻收發模擬前端部分采用雙層蓋板，即采用內部小蓋板+外部DAM大蓋板的形式保證電磁屏蔽效果。

d.蓋板與殼體之間采用導電橡膠繩。

3 熱分析及優化設計

3.1 冷卻方式選擇

目前，DAM散熱主要采用風冷散熱技術或者液冷散熱技術。風冷散熱技術主要優點是結構簡單、設備量少，但是散熱能力較差、集成度低、所需安裝空間較大，適應于熱流密度較低、熱源較為分散的場合。而液冷技術主要優點是散熱能力強能實現高集成設計，但是其成本較高且可靠性低[7-8]。考慮到雷達工作頻段為VHF和UHF波段，陣面安裝空間較大，為了提高系統的可靠性，本方案中的DAM選擇風冷散熱技術。

3.2 設備組成及工作原理

由于采用風冷散熱技術，因此每個散熱部件主要由風冷冷板和散熱風機組成，本項目共有10個DAM，每個DAM需要1個風冷冷板和6個散熱風機，因此總共有10個DAM風冷冷板和60個散熱風機。工作原理為：DAM工作時，環境風被風機吹向風道并流經風冷冷板翅片，冷風在這里將DAM的熱量帶走從而確保其在允許的溫度范圍內工作，風道出口的熱風直接排放到環境中。

3.3 DAM熱耗及指標要求

DAM熱量主要集中8處功放模塊的功率主芯片及2處數字板的FPGA器件上，每路VHF功放工作熱耗為75.2 W，UHF波段功放工作熱耗為54 W，總功放熱耗約為516.8 W。2塊數字板的FPGA器件工作熱耗為132.8 W。DAM功率管殼體溫度≤85 ℃，FPGA殼體溫度≤80 ℃。工作環境條件：儲存溫度，-40～+65 ℃；工作溫度，-10～+40 ℃(室內)，-20～+50 ℃(室外)。

3.4 仿真分析計算

DAM熱耗較大，DAM風冷冷板設計主要是其翅片結構設計，以翅片厚度、翅片間距和翅片高度進行分析設計。結合設計經驗及散熱需求，確定翅片的初始參數：翅片厚度1 mm，間距2 mm，高度40 mm，并在此基礎上進行優化。進風速4 m/s，進風溫度50 ℃，對其在熱耗最大模式下(VHF頻段器件工作)散熱效果進行了仿真分析。為保證仿真結果不失真，對模型進行部分簡化：忽略了模塊與周圍空氣的對流散熱因素；忽略了所有螺釘孔；忽略了部分小的筋板；接觸熱導的影響因素多，較為復雜，其當量接觸換熱系數取值為10 000 W/(m2·℃)。

經仿真計算可知DAM器件最高溫度為90.7 ℃，功放殼體最高溫度為75.8 ℃，FPGA殼體最高溫度為82.5 ℃，顯然，功放溫度指標滿足要求，FPGA溫度不滿足指標要求。

3.5 熱優化設計

考慮到現有翅片結構不滿足散熱需求，以及盡量降低散熱系統帶來的增重問題，主要從散熱翅片的厚度、間距、高度進行優化設計。在翅片高度40 mm和翅片間距2 mm保持不變的情況下，DAM器件溫度及翅片重量隨翅片厚度變化情況如表1所示。由表1可知，隨著翅片厚度的增加，器件的溫度不斷增加。考慮到強度和加工難度，翅片厚度選擇1 mm。

表1 器件溫度及翅片重量隨翅片厚度變化情況

在翅片高度40 mm和翅片厚度1 mm保持不變的情況下，DAM器件溫度及翅片重量隨翅片間距變化情況如表2所示。可見隨著翅片間距的增加，器件的溫度不斷增加，這是因為器件間距的增加會導致翅片數量減少，減少換熱面積，但翅片間距的減少也會增加風阻，因此翅片間距減少到一定程度不會帶來散熱量的明顯增加，同時翅片間距減小還會增加重量并增加加工難度，所以翅片間距選擇2 mm。

表2 器件溫度及翅片重量隨翅片間距變化情況

在翅片間距2 mm和翅片厚度1 mm不變的情況下，DAM器件溫度及翅片重量隨翅片高度變化如表3所示?？紤]翅片高度帶來翅片重量的增加，因此建議翅片高度選擇為25 mm。

表3 DAM器件溫度和翅片重量隨翅片高度變化情況

從上述優化結果看，功放溫度滿足要求，但FPGA溫度超過指標要求。因此從殼體局部結構、散熱翅片流場和翅片位置等方面進一步優化設計。

a.殼體局部優化設計。在冷板殼體上，長凸臺將部分FPGA的熱量傳遞到殼體上面轉移到環境中，其結構示意如圖2所示。仿真分析的邊界條件不變，仿真結果溫度云圖如圖3所示。由圖3可知，功放殼體最高溫度為78.6 ℃，FPGA殼體最高溫度為82.1 ℃，相比原結構功放殼體溫度基本不變，但是FPGA溫度降低約4 ℃。

圖2 加散熱凸臺殼體示意

圖3 加散熱凸臺DAM溫度云圖

b.翅片流場優化設計。前述所有優化均建立在冷風從功放背面翅片區域經過，將功放等主要發熱元器件熱量帶走后，再流到FPGA等數字收發器件散熱區域，優點是入口的環行器等熱耗較大的元器件散熱條件較好，但會造成FPGA附近殼體基板溫度較高，同時使空氣在流經FPGA所對應的散熱翅片時溫度較高。因此，通過改變風在風道中的流向來改善FPGA的散熱條件，即將風道進、出風方向調換，使得冷風先吹過FPGA散熱翅片區域，再依次吹向功放和環行器等發熱器件散熱翅片區域。仿真分析的邊界條件不變，仿真結果溫度云圖如圖4所示。由圖4可知，功放殼體最高溫度為76.5 ℃，FPGA殼體最高溫度為76.5 ℃，均滿足指標要求。

圖4 流場優化后的溫度云圖

c.翅片位置優化設計。前述所有的仿真均是翅片設計在DAM殼體上，但是會增加DAM殼體的重量，同時不利于DAM安裝、維護和搬運等。因此考慮將DAM散熱翅片設計在DAM機箱上，為了驗證其散熱效果，對其進行了仿真分析(邊界條件不變)。仿真結果溫度云圖如圖5所示。由圖5可知，功放殼體最高溫度為82.3 ℃，FPGA殼體最高溫度為74.5 ℃，顯然滿足散熱要求。

圖5 機箱上設計翅片溫度云圖

4 結束語

隨著數字陣列雷達的快速發展，輕量化、密封防護、散熱等問題成為抑制高集成、高密度數字陣列模塊應用的重要影響因素。設計的某VHF+UHF波段DAM，滿足雷達總體對密封防護、輕量化和散熱等方面的指標要求，DAM重量由預估的20 kg減至15 kg以下。DAM散熱翅片設計在機箱上，翅片尺寸為1 mm×2 mm×25 mm(厚度×間距×高度)，同時優化翅片流場方向及殼體局部結構時，DAM內部器件的散熱效果最佳。

參考文獻：

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