大型寬頻固定式電子系統結構總體設計 *

譚貴紅， 李瀟峰， 洪大良， 林 泉

(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

某大型多頻段固定式電子系統每個天線覆蓋多頻段，單個天線口徑約40 m2平面陣。根據指標分析，系統沒有轉臺，由多個天線實現方位探測性能。單個天線陣面口徑較大。按相關國軍標要求，設備需抵抗17級大風。相比單頻段設備，天線內部電子設備需維護的數量更多、維護空間范圍更大；集中布置在機柜內接收系統、信號處理等系統板卡熱流密度更大，需采取有效散熱措施將機柜內、天線內電子設備產生的熱量帶走。系統工作在海邊，高熱高潮濕高鹽霧環境對設備三防設計提出了嚴格的要求；雖然為固定站，但天線需在微波暗室對波瓣進行測試，需在外場利用標準信號源對設備調試和檢驗，存在頻繁對多部天線設備、機柜設備、冷卻設備進行轉場架設需求。固定站設備沒有配置機動底盤，野外轉場架設需考慮設備運輸過程安全性問題、工作時抗風安全性問題、設備轉場架設技術措施經濟性問題，本文根據某大型多頻段電子裝備研制中主要技術問題進行探討，給出較好的解決思路。

1 國內相關技術研究現狀

項目初期調研了國內相關領域資料，天線為該類產品結構設計重點之一，某些固定站產品寬頻天線布局相對簡單，將各種頻段天線機械拼裝在一起，同一個陣面上天線單元有單罩封裝，有整罩封裝，骨架傳力途徑不夠清晰，拼裝和拆卸陣面比較困難，陣面顯得比較凌亂，產品的美觀性亦有待提高。如果將機動雷達設計思路引入，能有效提高結構設計質量。在陣面設計質量要求越來越高的前提下，隨著相關電子設備性能指標的不斷提高，其熱流密度也不斷提高，需要采用液冷技術解決其散熱問題[1]，對于熱流密度進一步增高的電子設備，需要考慮微通道強化散熱技術[2]和均溫板[3]等新型散熱技術解決其散熱問題。

2 系統結構總體設計

系統設備主要包含多部大型天線、多個大型設備機柜、電源機柜、液冷機組、陣地球形天線罩等，固定站設備不配置機動車和電子設備艙。

2.1 天線設計

2.1.1 子陣面空間布局設計

各頻段天線多，單元間距不同，后端處理設備不同，首要考慮的是總體布局設計，實現設備功能前提下，兼顧工業設計美觀性要求。根據總天線口徑是否超過國軍標單車可以運輸的最大尺寸來決定天線是否需分成若干個子陣面，即天線功能性設計和運輸性設計相協調，避免發運設備存在大量零碎部件。推薦大塊分割整個陣面為子陣面。各子陣面彼此相對位置依據設備量大小、天線波瓣對離地高度要求、與天線單元連接內部器件維護的需求性和可達性要求、天線骨架傳力安全性和可靠性要求統籌考慮。大塊分割的天線既可采用整罩防護，也可采用單罩防護，具體看罩體封裝可靠性來決定。從工業設計美觀性角度，推薦使用整體罩封裝各個子陣面。高頻段天線種類較多，單元間距小，設計多個子陣面骨架，單元和子陣面骨架安裝成一體后整體安裝到上級陣面骨架中；中低頻段天線單元直接布置在子陣面骨架反射板上。天線單元雖然種類多，單元間距各不相同，但布局要整而不零，便于天線骨架布局和傳力。反復權衡考慮，最終將整個天線分成3個子陣面，彼此成T型連接，即低頻段天線子陣面水平布置在最高處，L頻段天線子陣面和其他頻段天線組成的子陣面并列布置在下部，其中L子陣面在左，其他頻段子陣面在右。3個子陣面通過定位銷和螺栓定位并連接。考慮到子陣離地高度要求，所有子陣面安裝在T型基座上，基座固定在陣地地基上，布局關系如圖1天線正視圖所示。

圖1 某多頻段電子設備天線布局圖(僅示意單個陣面)

2.1.2 天線抗風安全性考慮和天線構型設計

按指標要求，固定站電子系統抗風等級遠高于機動雷達，需考慮天線結構剛度和強度設計、與天線工作距離有要求的機柜(考慮損耗，不能移動到遠處固定建筑物內)等設備抗風能力設計。本系統生存抗風指標為67 m/s，而大型機動雷達的不倒伏天線抗風指標一般為30 m/s，正常工作抗風指標為25 m/s[4]。根據雷達設計規范[5]，固定式雷達在大風地區抗風指標為25 m/s，機動式雷達抗風指標為20 m/s，本系統生存風速下對應單位面積的風壓是固定雷達同類型天線的7.1倍。如果按照指標直接設計，天線陣面法向尺寸將極大，或者天線構件將非常笨重。機柜等設備為實現抗風要求，設計成中間為設備間的大型承力結構形式，不能借用商業化型材單獨設計本項目機柜，影響設備操作便捷及美觀性。這些笨重的結構將導致設備轉場的困難及研制費用的大幅增加。可以考慮另外一種設計思路，即分級抗風的設計思路，按大風地區固定雷達抗風指標25 m/s來設計天線抗風能力，系統抗風指標由陣地天線罩抗風實現，可以極大降低天線骨架承受風荷載。查全國各地區50年一遇的大風數據可知，25 m/s的大風基本可以覆蓋除海島以外全國內陸具備基礎設施地區大風數據，滿足研制中野外安全工作要求。根據相關規范，一般天線罩可以抗擊67 m/s大風不破壞。在孤島地區天線罩可以抗擊76 m/s大風，分級抗風設計思路可以滿足設備指標要求。抗風設計思路一旦確定，接下來開展天線骨架的剛強度常規設計工作。

確定天線陣面設計風速之后，考慮陣面構形設計，借用機動雷達設計思想，擬采用平面陣骨架與后部多撐桿組合抗風設計方式。考慮固定站架設性，子陣面設計多個立柱連接T型基座平臺，只需動用單臺吊車架設天線，后部撐桿通過支耳與子陣面、基座連接。考慮制造誤差，撐桿長度可以調節并鎖定。如圖1天線側視圖，陣面布局設計為三角形結構，利于以較小重量代價實現天線陣面法向較大剛度。骨架強度按25 m/s大風設計，骨架剛度按20 m/s大風設計，并考慮安全系數。天線基座剛性較大，T型基座懸翼構型減少材料使用，減少罩內擁擠感，陣地天線球罩截圓位置較低，罩內地面空間有限，該部分亦可作為人員行走通道。

綜合考慮結果，如圖1側視圖和正視圖，整個陣面由P頻段子陣、L頻段子陣、多頻段子陣、T型基座、連接彼此雙撐桿組成。陣地架設時T型基座與預設地基上的錨栓連接，天線不會傾覆。

2.1.3 天線骨架剛強度設計及有限元分析結果

天線采用整體罩封裝，風阻系數參照同類型天線，Cx取1.4[6],天線載荷按理論公式計算。采用有限元分析軟件對天線在各工況下進行分析，主要梁采用殼單元，T型平臺下法蘭固定作為邊界條件。

天線有限元分析工況見表1，各頻段天線結構變形典型工況(40 ℃+自重+20 m/s風載)分析結果見圖2，該工況變形最大，但均小于指標最大變形要求。

表1 天線剛強度有限元分析工況

天線典型工況(0 ℃+自重+25 m/s風載)應力計算結果見圖3,該工況應力最大，為210.7 MPa,小于天線Q345鋼材的屈服強度，強度設計滿足要求。

2.2 天線子陣面間定位和機械連接設計

天線左右子陣面間采用多個定位裝置，后通過螺栓或快鎖連接，左右子陣面下部立柱與T型基座同時機械連接。多處機械連接，屬于過約束問題，需要合理分配螺栓連接處的配合間隙，否則可能導致孔位對不上的情況。子陣面間設計長定位孔，滿足天線法向定位要求即可。陣面上部低頻段子陣面與左右子陣面連接，無需很精確定位。建議設計時留足各子陣面間距離，考慮用定位銷和快鎖連接大塊子陣面，提高架設速度。

2.3 天線子陣面防水密封設計

陣面調試過程無球形天線罩防護，部分子陣面內部還布置了下級子陣面。考慮密封設計時，3個大型子陣面分別用整體平面罩封裝，子陣面后部設計大量的密封維修門。子陣面和外部設備走線主要通過轉接板實現，避免了穿墻式走線方式導致雨水從電纜處進入陣面內部。系列設計思路保證天線所有設備處于有效密封防護。需要關注的是子陣面間螺栓連接處密封處理采取單邊盲螺紋，電纜過境其他子陣面時雖然采取套筒方式可避免水沿重力相反方向進入子陣面，但在雨天轉場架設時需要保護套筒，不推薦使用。

2.4 天線電纜走線設計

天線電纜走線分為子陣面內部電纜走線、陣面間電纜走線、陣面與機柜間電纜走線等。本系統天線電纜非常多，子陣面為封閉結構，內部骨架設計預留大量走線孔，用于內部成束電纜的捆扎。上部子陣面電纜需要從下部子陣面過境，設置轉接板轉接。陣面與機柜間電纜走線亦通過轉接板，按此原則走線，有利于陣面的密封設計。

2.5 子陣面維護設計

仔細策劃陣面的維護問題，聯合電訊總體將需要維護的設備盡量布局于下部兩個子陣面中下部，在T型基座上設置手動或自動舉升維修平臺將人員舉高，對維修門內設備進行維護。考慮陣面左右范圍比較大，設計導軌大范圍水平移動維修平臺解決維修覆蓋問題。為避免在左右平移中與天線撐桿干涉，采取技術措施將維修欄折疊壓縮。產品使用表明，這種設計思路可行。

2.6 電子設備液冷機柜的結構設計

各頻段天線的接收、信號處理、供電等插件布置于若干個大型機柜插箱內，電源機柜對各設備機柜供電。36u設備機柜高約2 m，重達1 t左右。對機柜的設計主要有幾點要求：借用某機柜型材和機柜面板重新設計機柜，保證機柜具備大承載能力，兼顧美觀性；機柜內主設備為單層或雙層液冷插箱，插箱內安裝模塊形式插件，通過液冷系統對機柜內各插箱供液，為避免插箱受力變形漏液，單獨設置托盤托住插箱；考慮可靠性要求，插箱電、液插頭分開布置在插箱背板左右，模塊內部不通液。機柜內安裝分水管網，設置接水盤，接水盤設置引流管，對每個插箱保護，提高可靠性；采用雙層面板機柜，全密封形式，電纜均通過轉接板與外部連接；機柜前后開門，帶密封和屏蔽措施，便于設備安裝和維護，后面及側面設置轉接板，側面轉接板與外界電纜連接；典型機柜如圖4所示。典型插件如圖5所示，與插箱由鎖緊條鎖緊。外界電纜通過轉接板進出機柜，是保證機柜密封性能的重要手段[7]。

1～7-液冷插箱 8-轉接板及護罩 9-插箱托盤圖4 液冷設備機柜正視圖

圖5 插箱內散熱插件結構形式

2.7 設備散熱設計和系統三防設計

系統計算表明，單個多頻段天線陣面熱量800 W,電源機柜熱量3 kW,14個液冷插箱合計熱量26.6 kW,單個插箱最大熱耗3.2 kW，單個插件最大熱量140 W，天線電掃描不同時進行，計算設備熱耗時不重復計算，總熱耗約31 kW，天線罩換熱量約6.9 kW。

插件熱流密度很大，插件之間間隙很小，分析表明，需要采用液冷方式將熱量帶走。設備將工作在沿海地區，會面臨潮濕和高鹽霧腐蝕氣體侵蝕，整個系統的防護設計亦是重點解決的技術問題。總體設計階段，將系統散熱設計和三防設計統籌考慮。即要求系統所有設備機柜、電源機柜都設計成密閉柜體，機柜前后設置密閉門，內部電纜通過帶防護罩轉接板與其他設備連接。密閉機柜及密閉天線陣面內部熱量由液冷系統帶走。這樣即便沒有球形天線罩，整個系統可以在野外環境中工作；而在沿海潮濕鹽霧環境下，用球形天線罩將多個天線陣面、所有機柜封閉起來，通過液冷機組帶走機柜和天線陣面的熱量，同步控制罩內的溫度和濕度，并防止凝露，能有效對系統進行防護。液冷機組能提供較低供液溫度的壓縮式制冷機組。對設備和除濕機的供液溫度分開設置，高低溫制冷量各不相同。

液冷機組工作在球形罩外直接面對大氣環境，考慮海邊防護問題，將需要與大氣熱交換部分，含風機、散熱板等設計成開放式結構，將壓縮機、水箱、水泵、大部分管路、各種指示表、傳感器、人機操作屏等設計帶密封檢修門的全封閉式結構，有效提高液冷機組在海邊的三防性能。

為提高液冷設備機柜的散熱設計可靠性，將機柜插箱內模塊熱量通過新型均溫技術或導冷板導出至插箱壁板，插箱液冷水道進而將熱量帶走，電子模塊內不通液體，最大限度避免漏液對電子設備的影響，極大提高系統可靠性。測試試驗表明，宇航級的均溫板最大可以帶走單板200 W的熱量，經歷了加速老化試驗的考核。 圖6表示液冷系統工作原理圖。圖7表示某熱量140 W典型模塊熱仿真分析溫度分布圖，器件殼體最高溫度約為70 ℃,小于指標85 ℃要求。

圖6 液冷系統原理圖

天線罩內溫度和濕度通過罩內除濕機控制，制冷量(加熱量)7 kW，指標工作環境溫度-40～+55 ℃范圍內，控制罩內溫度+10～+40 ℃范圍。控制濕度不大于65%,可以有效防止凝露。環境溫度45 ℃，對應罩內溫度為30 ℃；罩外溫度-40 ℃時，罩內溫度0 ℃，罩外溫度-30 ℃時，罩內可達10 ℃。可見在沿海各種實際環境溫度下，罩內溫度亦較適宜人員工作。

3 系統轉場架設設計

圖8 系統單臺天線室內架設示意圖

本系統固定站天線包含多個大型陣面(每個天線由多個子陣面組成)，需要經過所內總裝、暗室架設調試、野外性能測試，單個天線口徑大，設備最大離地高度超過10 m，安裝過程需要通過大型吊車輔助作業。調試中沒有固定地基安裝T型基座及之上大型陣面，架設危險程度高，因而需要考慮架設穩定性問題。技術上宜設計平臺來解決天線架設穩定性問題，多部天線對平臺需求量大，為避免造成浪費，設計一種通用平臺，具有通用機械接口，滿足各型固定站產品的架設所需，最大限度控制生產成本。考慮將來大量設備長途運輸需要，該平臺應具備貨運托盤的功能，用于運輸天線子陣面、液冷機組、各種機柜等，并能對運輸設備進行機械保護，可加裝篷布對設備進行有效防雨。該平臺應能進行簡單調平，滿足設備架設基礎水平要求。該平臺宜設計集裝箱通用吊裝機械接口，便于長途公路運輸加固和長途艦船運輸加固。圖8所示為該通用平臺在室內無風環境架設示意圖，考慮室內沒有大風，將天線水平方向與平臺長軸平行架設，可以滿足室內總裝及微波暗室波瓣測試架設安全要求，節省空間。圖1天線側視圖所示，通用平臺在野外有風環境下架設，將天線水平方向與平臺長軸垂直架設，由于平臺穩定半徑超3 m，計算表明，本系統依靠設備自重及穩定半徑產生的穩定力矩可以抵抗25 m/s大風產生的傾覆力矩。如果需要進一步提高防風等級，可以在平臺前后臨時加裝兩塊大型配重塊(如圖1側視圖)，滿足30 m/s大風下安全工作要求。

4 結束語

本系統雖然為固定站電子設備，但設計中采用了大型機動雷達的設計思想，最大限度實現單臺產品中多部大型天線設備的快速轉場架設，設備各項結構性能一直穩定可靠，研制的通用平臺可以供各型號固定站產品使用，該平臺還可以通過多個平臺級聯擴展，加大平臺尺寸，進一步提高產品抗風能力，經濟實用。目前產品已批量交付用戶。采用同類設計思路的某海基產品大批物質經歷了長途公路運輸和長途過海運輸的考驗，即將為該地區形成強大的戰斗力。

致謝項目研究得到38所張榮明、胡峰、王磊等同志大力幫助，在此特別表示感謝。