有源相控陣雷達TR組件參數化熱設計

劉繼鵬 蘇力爭 胡凱博 胡耀輝 趙曉東 光凱惠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控陣雷達是一種以改變雷達波相位來改變波束方向的雷達，以其波束轉換的靈活性、多功能、抗干擾和高可靠性等突出優點成為了雷達領域目前最主要的發展方向。但是要提高有源相控陣雷達作用距離，一方面需要提高天線陣面的功率口徑積，增加固態收發組件(T/R模塊)的數量，另一方面還需要提高單個T/R組件的功率，使得有源陣面內的組裝密度和熱功率密度都很高，這給雷達冷卻系統提出了嚴峻的挑戰。高效、可靠的熱控制實現技術是相控陣雷達研制過程中的關鍵技術之一[1～2]。

相控陣雷達熱控制系統的研制過程中，需要對組件內溫度場、陣面內的流場等進行必要的仿真分析，作為產品論證分析和優化設計的參考。特別對于大型相控陣雷達，通過仿真得到其流場及溫度場的分布，將對設計具有重要的指導意義。如何建立一套有效的快速熱設計仿真系統來減少設計失誤，增加熱設計可靠性，以及對結構設計進行優化，從而有效縮短產品的研制周期，減少設計中的反復和研制風險，成為有源相控陣雷達熱設計的研究方向[3～4]。

1 目前有源相控陣雷達熱設計的問題

Flotherm作為電子熱仿真分析軟件，在雷達電子設備結構設計中用于熱仿真分析以解決雷達結構的散熱問題[5]。Flotherm在有源相控陣雷達熱仿真分析存在以下幾個特點：

1)小批多型，仿真工作量大。需要將雷達電子結構中典型結構形式共性的幾何參數來直接生成Flotherm熱仿真分析模型，避免在Flotherm中簡單重復構造熱仿真分析模型。

2)研制周期短。需要通過對有源相控陣雷達熱仿真分析模型進行多次參數化仿真分析來快速尋找合理散熱方案，縮短熱設計時間。

3)仿真界面不友好。需要提供普通設計師一個友好的界面，通過雷達電子結構中結構幾何參數化設計和熱仿真，以便對設計方案做出初步預估。

由于有源相控陣雷達多為由T/R模塊組成的平面陣，其結構具有通過幾個幾何參數就可以建立熱仿真分析模型的特點，使得參數化熱分析仿真流程自動化更有意義。而且由于波束控制技術(例如移相、數字波束形成(DBF)和自適應零點波束形成(ANBF))應用，在相控陣雷達中波控計算機、數據處理系統和中心計算機大量應用VPX及CPCI標準的3U到7U的風冷和導冷機箱，上述機箱的結構也具有上述特點，這些相控陣雷達重要組成設備熱問題同樣適合用參數化熱分析仿真方法解決。本文所闡述的方法同樣適用于上述天線面陣和機箱的熱仿真分析。

2 Flotherm參數化熱設計實現方法

基于Flotherm提供的XML數據接口，把幾何模型參數傳遞到到Flotherm熱仿真分析參數化模型中，生成的數據接口為XML格式的文件。然后用程序調用Flotherm命令行計算提交生成的XML格式文件，再從分析結果(Excel文件)中提取仿真分析結果模型中的最高溫度，以此判斷該結構熱設計方案的可行性。

2.1 XML語言

XML(Extensible Markup Language，可擴展標記語言)是近年來得到廣泛應用的一種基于Internet的元數據置標語言。最大的特點是XML是獨立于軟件和硬件的純文本的信息傳輸工具，因此XML成為各種應用程序之間進行數據傳輸中最常用的工具[6]。Flotherm與應用程序之間就是通過XML傳遞數據的。

2.2 Flotherm提供的XML數據接口

Flotherm提供的是XML_Schema標準來描述仿真分析形成的XML文檔的數據結構。通過定義和描述Flotherm仿真分析XML文檔的數據結構和內容，以及Flotherm仿真分析XML文檔中存在哪些元素和元素間的關系，并定義Flotherm仿真元素和屬性的數據類型來形成Flotherm仿真分析XML文檔。

Flotherm仿真分析的XML文檔的數據結構見圖1所示。

以T/R模塊中固態功率放大器的為例，其參數化模型的XML語言的描述可以用圖1中虛線框的cuboid復合元素來實現，見下例:

圖1 Flotherm的XML數據結構圖

‘(位置—參數化變量)

‘(大小——參數化變量)

‘(局部坐標系設置)

‘(有沒有局部化網格)

‘(材料鎢銅——參數化變量)

‘(發熱量——參數化變量)

2.3 VB實現flotherm參數化仿真分析

通過VB編程可以將用戶界面中的參數傳遞到Flotherm所需要的仿真分析xml文件中，然后調用Flotherm對形成的仿真分析xml文件進行解算后，從生成的結果文件(excel表格文件)中獲得熱仿真分析中計算域中的最高溫度點和位置，返回到用戶界面中。(見圖2中的參數化分析流程圖)

圖2 flotherm參數化分析流程圖

2.3.1 T/R模塊熱仿真分析用戶界面設計

T/R模塊主要由數字移相器、激勵放大器、固態功率放大器、輸出收/發開關、限幅器、低噪聲放大器、數控衰減器、環行器等組成，見圖3[7]所示。尤其是固態功率放大器受溫度影響較為明顯。

圖3 T/R模塊組成典型照片

根據上述典型T/R模塊的結構參數，提供三個用戶界面，見圖4所示。

圖4(a)顯示輸入T/R模塊外形尺寸和材料(壁厚并不相同)；圖4(b)顯示輸入典型熱源(固態功率放大器)熱量、大小、位置和材料[8]；圖4(c)顯示輸入外界風速的方向、大小、環境溫度和是否在最大熱源處添加傳感器。

圖4 T/R模塊參數模型輸入界面

2.3.2 VB編程來實現對xml文件的讀寫

使用Call語句來將實現打開xml文件并寫入flotherm仿真分析xml文件頭(聲明)：

Open ("c:TRcomponent.xml") For Output As 1

Sub write_header(model_name)

Print #1，""

Print #1，""

Print #1，""

End Sub

Call write_header("Tr1")

2.3.3 VB編程實現調用flotherm命令行對flotherm仿真分析的xml文件進行解算：

Dim strArgs As String

Set oShell = CreateObject("Wscript.Shell")

strArgs = "c:Progra～1MentorMAflosuite_v93flothermWinXPinflotherm.bat"

strArgs = strArgs + " -b c:TRcomponent.xml -o c: emp"

oShell.RunstrArgs，0，True

oShell = Null

上述程序用wscript對象來實現對flotherm命令行的調用并對仿真分析模型的xml文件進行解算，將解算結果放入C盤temp子目錄下。上述編程實際上就是調用了下述命令行對仿真分析模型進行解算。

Flotherm-b c: TRcomponent.xml -o c: emp

2.4 參數化T/R模塊Flotherm模型

某X波段T/R模塊的參數見表1所示，形成的熱分析模型見圖5所示，需要指出的是參數化模型中的固態功率放大器是焊接在殼體上的，由于散熱功耗比較低，所以沒有采用功率芯片焊接裝配熱模型，芯片上的溫度可以根據功率芯片裝配形式用相應的等效熱阻計算得到[8]。

表1 T/R模塊參數表

圖5 T/R模塊參數化模型

2.5 參數化T/R模塊仿真分析結果

通過可視化用戶界面參數化修改風速，可快速得到不同風速下的熱仿真結果，如圖6所示，從分析結果可以看到，該T/R模塊需要在5m/s的風速散熱才能正常工作，最高溫度出現在2W的固態功率放大器上，最高溫度為80.6℃，溫升30.6℃，從文獻[9]中散熱分析和試驗的相關論述和實驗結果可以得出結論：該T/R模塊適合采用天線靜壓箱孔板散熱的通風方法。

圖6 熱仿真分析結果對比圖

3 結束語

本文利用熱分析軟件Flotherm提供的XML數據接口，基于VB軟件編寫了熱仿真模型的參數化造型和參數化修改程序,實現了功率模塊溫度場模型的自動化生成和用戶界面的可視化。一方面減少了熱分析師建立有源相控陣雷達系統級仿真分析模型的時間，并通過友好的用戶界面程序使得熱仿真分析便捷化；另一方面，通過該方法實現了雷達熱仿真分析流程自動化后，還可用于多學科多目標優化工具軟件(例如Matlab，Isight等)調用該熱仿真分析流程，通過優化算法設定和修改熱設計變量以達到優化熱設計的目標，為設計有源相控陣雷達提供可靠、有效的設計依據。

該方法還可推廣用于建立有源相控陣雷達天線面陣、信處風冷或導冷機箱、二次電源和天線收發機柜參數化熱仿真分析流程中，同時對實現各種電子結構熱仿真分析流程自動化具有借鑒意義。