輕量化雷達(dá)收發(fā)機(jī)箱的全密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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（西安電子工程研究所，西安 710100）

1 收發(fā)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)組成

雷達(dá)天線收發(fā)系統(tǒng)機(jī)箱是某便攜式雷達(dá)的結(jié)構(gòu)載體，其內(nèi)安裝了雷達(dá)的裂縫天線、T/R組件、頻綜、信號處理、數(shù)據(jù)處理、波控、電源等。采用電氣一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，將信號處理與數(shù)據(jù)處理集成設(shè)計(jì)，波控與電源集成設(shè)計(jì)。采用總體結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)技術(shù)，將雷達(dá)結(jié)構(gòu)分為前端、后端兩個組成部分。

T/R組件共上下兩排，通過波導(dǎo)口與天線背面波導(dǎo)口連接，為節(jié)省走線空間，降低電纜長度和質(zhì)量，頻綜和波控電源板安裝固定在T/R組件的同側(cè)安裝面，四者組成的結(jié)構(gòu)裝配體合稱雷達(dá)前端。信號處理等其余后處理分系統(tǒng)稱為后端。前端安裝在收發(fā)機(jī)箱前腔，后端安裝在收發(fā)機(jī)箱后腔，兩者貼服在中空的密封的散熱風(fēng)道面上。

雷達(dá)收發(fā)機(jī)箱主要由箱體、風(fēng)道冷板、天線罩、后板等組成。天線罩與后蓋板可以拆卸，以便完成雷達(dá)整機(jī)的調(diào)試。左、右側(cè)板安裝在機(jī)箱的兩側(cè)面，左、右側(cè)板上安裝雷達(dá)主機(jī)的對外插座，風(fēng)道冷板自帶散熱翅片，配合安裝在箱體底部的風(fēng)機(jī)用來完成整機(jī)的散熱。

2 收發(fā)機(jī)箱的密封風(fēng)道

收發(fā)機(jī)箱采用全密封設(shè)計(jì)，首先天線輻射腔與后處理腔體密封，實(shí)現(xiàn)整個后處理腔體區(qū)域的電磁密封與水汽密封。各分機(jī)的熱量通過熱傳遞傳到風(fēng)道散熱面，通過風(fēng)機(jī)對流散熱完成。采用密封的散熱風(fēng)道，整個雷達(dá)分系統(tǒng)與外界密封隔離，保證了雷達(dá)設(shè)備的防水、防塵及EMC要求。通過優(yōu)化錐形的中空散熱共軛風(fēng)道，使整個機(jī)箱的熱控設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的中空錐形共軛散熱密封風(fēng)道，合理地分配了冷卻流，采用傳導(dǎo)與強(qiáng)迫對流風(fēng)冷的方法解決了收發(fā)箱體內(nèi)大功率器件的散熱密封問題。中空風(fēng)道的散熱原理如圖2所示。

圖1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)組成

圖2 中空密封風(fēng)道的散熱原理

雷達(dá)各分系統(tǒng)均密封在收發(fā)機(jī)箱內(nèi)，該設(shè)計(jì)方法首先將考慮雷達(dá)的各分系統(tǒng)的連接，包括傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中電纜接頭的密封等，均在密封的箱體內(nèi)完成。箱體內(nèi)部的散熱由穿過機(jī)箱的中空風(fēng)道完成。風(fēng)道的末端采用4個風(fēng)機(jī)，對稱布置，完成與外界的對流換熱。該密封的中空風(fēng)道，由機(jī)箱穿入穿出，雷達(dá)內(nèi)的各分系統(tǒng)的熱量，均傳遞到該風(fēng)道的內(nèi)表面，風(fēng)道的內(nèi)腔設(shè)計(jì)有散熱翅片，在分系統(tǒng)與風(fēng)道之間柔性填充導(dǎo)熱墊和導(dǎo)熱硅脂，用來彌補(bǔ)加工誤差帶來的熱量傳遞損耗。此時(shí)熱量以較低的熱阻傳遞到風(fēng)道內(nèi)，通過風(fēng)道內(nèi)高速的冷卻氣流完成與外界的熱量交換。

3 收發(fā)機(jī)箱的輕量化設(shè)計(jì)

采用新型薄壁層疊結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)鋁合金箱體非承重風(fēng)道面0.5～0.7 mm壁厚以下的工程設(shè)計(jì)與加工工藝設(shè)計(jì)。雷達(dá)的收發(fā)機(jī)箱，采用7075 T651鋁合金材料，五軸機(jī)床精密加工后熱處理成型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)對散熱風(fēng)道內(nèi)的散熱齒的高度、數(shù)量、形狀、厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在質(zhì)量和散熱指標(biāo)之間找到最佳平衡點(diǎn)。

箱體設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于密封風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將模塊各發(fā)熱面通過柔性導(dǎo)熱襯墊傳導(dǎo)到風(fēng)道內(nèi)表面，風(fēng)道的內(nèi)表面設(shè)計(jì)有散熱翅片，風(fēng)道內(nèi)表面與外界相通，通過風(fēng)機(jī)對流換熱與外界進(jìn)行熱交換。

T/R陣面方向的散熱齒形優(yōu)化前后如圖3所示。熱仿真減重優(yōu)化后的散熱齒齒形布局：T/R左右進(jìn)風(fēng)口采用錐形增壓結(jié)構(gòu)，底部微波模塊散熱采用波浪散熱布局，散熱翅片經(jīng)過優(yōu)化，厚度為0.4 mm。翅片比優(yōu)化前可減輕質(zhì)量150 g。

圖3 新型薄壁層疊結(jié)構(gòu)形式

為了增大箱體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，箱體采用整體成型的框架式承重設(shè)計(jì)。考慮到便攜背負(fù)的具體質(zhì)量要求，機(jī)箱采用薄壁設(shè)計(jì)，除承重骨架安裝面外，其余承重的主體壁厚為0.8 mm。對于非承重風(fēng)道面0.5～0.7 mm壁厚以下采用層疊薄壁設(shè)計(jì)技術(shù)。多個層疊薄壁設(shè)計(jì)，增加了許多類框架的薄壁高筋結(jié)構(gòu)形式。在減輕質(zhì)量的前提下，增大了結(jié)構(gòu)的剛度。

風(fēng)道面層疊薄壁框架設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖4所示，風(fēng)道冷板導(dǎo)熱面的多層翻折結(jié)構(gòu)不僅可以增大接觸面的剛度，同時(shí)用來彌補(bǔ)導(dǎo)熱面高低不同造成的安裝不一致。

圖4 風(fēng)道面的層疊薄壁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一體式的骨架設(shè)計(jì)，提高了主體結(jié)構(gòu)的固有頻率，增大了系統(tǒng)的剛度和韌性[4-6]。

4 仿真分析

圖5 箱體的強(qiáng)度和剛度的仿真分析

4.1 熱仿真

4.1.1 熱仿真模型

仿真時(shí)去掉了各種倒圓、小孔、微小突起等對于散熱影響甚微但嚴(yán)重影響計(jì)算效率的非必要幾何體。

T/R模型的末級功率放大器和驅(qū)動放大器通過載體直接燒結(jié)在模塊殼體上，且載體的熱阻較低，可以忽略；其他芯片產(chǎn)生的熱量先傳遞到多層混壓板后，再傳遞到模塊盒體底部，但是由于其他芯片的發(fā)熱量很小，同樣可將其簡化為直接貼合在殼體上；T/R模塊中外圍的鋁合金框架主要起到隔離作用，可忽略其影響，最終將T/R模型簡化為發(fā)熱模塊裝載在T/R底板的簡化模型。忽略信號處理通過PCB的散熱，假設(shè)信號處理只通過設(shè)計(jì)的風(fēng)道進(jìn)行散熱，只保留了信號處理發(fā)熱模塊并將其簡化一個實(shí)體發(fā)熱體元。電源和頻綜發(fā)熱量相對較小，并且對溫度不敏感，將其簡化為實(shí)體發(fā)熱單元，主要評估其殼體溫度。TR模塊風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口處有防塵罩，內(nèi)部存在大量孔洞，對風(fēng)阻有較大影響。對該模塊的詳細(xì)建模較為復(fù)雜，考慮用軟件自帶的多孔板模型進(jìn)行簡化模擬。通過計(jì)算多孔板的孔隙率進(jìn)行實(shí)際流阻的仿真，經(jīng)計(jì)算多孔板的孔隙率為0.55。

4.1.2 仿真結(jié)果

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)流場分布如圖7所示，風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速大多處于2.5 ～5.0 m/s范圍內(nèi)，表明風(fēng)道通風(fēng)良好，能夠?yàn)樯崽峁┳銐虻娘L(fēng)冷源[2-3]。

圖6 雷達(dá)整體熱仿真模型

圖7 仿真結(jié)果

機(jī)箱內(nèi)的溫度場分布如圖8所示，高溫度出現(xiàn)在T/R模塊附近，為84.4 ℃，位置為圖中第二排T/R組件的中間位置，T/R組件殼體之間的最大溫差為9.1 ℃＜10℃，滿足T/R組件溫度一致性要求，組件殼體最高溫度84.4 ℃。仿真分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 雷達(dá)整體溫度分布

圖9 T/R組件殼體溫度分布

雷達(dá)信號處理最高溫度為80.1 ℃，出現(xiàn)在FPGA處，小于85℃，滿足系統(tǒng)熱控要求中的信息處理模塊中FPGA的最高殼體溫度≤85 ℃的設(shè)計(jì)要求。仿真分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 雷達(dá)信處溫度分布

4.2 力學(xué)仿真

力學(xué)仿真分析時(shí)的加載方式分別給雷達(dá)框架結(jié)構(gòu)未約束的z、y、x平動自由度方向施加強(qiáng)迫振動，按照GJB 150.16A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動試驗(yàn)》中組合輪式車振動環(huán)境施加激勵譜[1]。

應(yīng)用模態(tài)疊加法分別對模型的3個方向進(jìn)行隨機(jī)振動分析，隨機(jī)振動計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 隨機(jī)振動分析結(jié)果

根據(jù)隨機(jī)振動仿真結(jié)果，雷達(dá)箱體結(jié)構(gòu)整機(jī)橫向、垂向、縱向的最大均方根Von-Mises應(yīng)力值分別為21.06、37.58、43.00 MPa，均小于材料的疲勞極限（148 MPa），因此能夠滿足雷達(dá)結(jié)構(gòu)車載運(yùn)輸振動性能要求。

5 結(jié)論

收發(fā)機(jī)箱采用全密封設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個前、后處理腔體區(qū)域的電磁密封與水汽密封。各分機(jī)的熱量通過熱傳遞傳到風(fēng)道散熱面，通過風(fēng)機(jī)對流散熱完成。采用密封的散熱風(fēng)道，整個雷達(dá)分系統(tǒng)與外界密封隔離，保證了雷達(dá)設(shè)備的防水、防塵及EMC要求。通過優(yōu)化錐形的中空散熱共軛風(fēng)道，使整個機(jī)箱的熱控設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的中空錐形共軛散熱密封風(fēng)道，合理地分配了冷卻流，采用傳導(dǎo)與強(qiáng)迫對流風(fēng)冷的方法解決了收發(fā)箱體內(nèi)大功率器件的散熱密封問題。由于中空的散熱風(fēng)道自身具備較低的熱慣量。環(huán)境溫度的變化，經(jīng)過較長的阻尼才能傳遞到機(jī)箱內(nèi)部，相對來說，雷達(dá)各分系統(tǒng)所受的環(huán)境交變應(yīng)力也較弱，將濕熱試驗(yàn)的溫度循環(huán)帶來的應(yīng)力影響降到最低。

在設(shè)計(jì)質(zhì)量不受約束的條件下，雷達(dá)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度可以通過增加設(shè)備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)同時(shí)受到便攜式雷達(dá)質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)約束。如何權(quán)衡在兩個受限條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)是總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。因此本機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高強(qiáng)度力學(xué)要求下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，既滿足便攜設(shè)備質(zhì)量的輕量化要求，又滿足受力的要求。