談 洪，朱 斌

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

新型高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)計與實現(xiàn)*

談 洪，朱 斌

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中介紹了一種新型高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，首先將雷達(dá)的天線、T/R組件等設(shè)計為模塊組件，然后通過模塊的組合實現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)。該方法能夠有效提升雷達(dá)的系統(tǒng)性能，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的研制周期。文中還列舉了某高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)陣面單元模塊的組成、組件熱分析過程、戶外設(shè)備的防護(hù)設(shè)計，可為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

天線模塊；T/R組件；模塊化

引 言

隨著氣象雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品種類也越來越多，如風(fēng)廓線雷達(dá)已從最早幾公里高度的邊界層雷達(dá)[1]，發(fā)展到十幾公里高度的高對流層雷達(dá)，再到最新幾百公里外的電離層空間探測雷達(dá)。隨著產(chǎn)品種類的增多和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對如何提高產(chǎn)品的設(shè)計效率、縮短產(chǎn)品的研制周期、提升企業(yè)的市場競爭能力提出了較高的要求。

模塊化設(shè)計是一種集敏捷、經(jīng)濟(jì)和可靠于一體的技術(shù)[2]，這種基于模塊平臺、運用組合法或基本型派生法的產(chǎn)品設(shè)計模式，可有效地規(guī)避創(chuàng)新中的技術(shù)風(fēng)險和市場風(fēng)險，實現(xiàn)穩(wěn)健、高效的創(chuàng)新。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，先通過對產(chǎn)品系統(tǒng)的分解建立通用的模塊系列，再選用模塊來組合出多樣化的新產(chǎn)品。

下面具體介紹某新型高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)的設(shè)計過程，為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

1 陣面模塊化設(shè)計

1.1 陣面模塊組成

某雷達(dá)的組成主要包括天線模塊、T模塊、R模塊、合成網(wǎng)絡(luò)模塊A、合成網(wǎng)絡(luò)模塊B和合成網(wǎng)絡(luò)模塊C，各模塊的尺寸、重量和數(shù)量見表1。

1.2 模塊化天線單元

雷達(dá)天線陣面口徑為10 m × 10 m，由20 × 20共400個垂直交叉雙極化微帶天線單元組成，400個天線單元按行、列分為20行和20列。基本天線單元采用P波段垂直交叉雙極化微帶印刷振子單元，單元通過螺釘安裝于銅制圓盤上，下方連接2個N型接頭。每個天線模塊包含4 × 4共16個天線單元和8個1∶4功分網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部天線單元和功分網(wǎng)絡(luò)通過饋線電纜連接成一個整體。天線模塊的組成如圖1所示。

表1 陣面模塊組成

圖1 天線模塊的組成

天線模塊整體采用環(huán)氧玻璃布包封，在常溫常壓下固化，可以保證包封層致密不滲漏。由25個2 m × 2 m模塊組合成天線陣面，大大簡化了天線的運輸和架設(shè)工作。圖2為整個天線陣面的組成圖。

圖2 天線陣面組成

該雷達(dá)天線設(shè)計已申請了《基于相控陣技術(shù)的風(fēng)廓線雷達(dá)模塊化天線》專利技術(shù)(專利號201120514696.1)?？筛鶕?jù)具體需求，通過模塊組合實現(xiàn)不同產(chǎn)品需求，在雷達(dá)批生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量易于控制，易于向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1.3 模塊化T/R組件

雷達(dá)共有20個T/R組件，每個組件驅(qū)動天線的一行。按發(fā)射加權(quán)的需要，加權(quán)按3級進(jìn)行，權(quán)重為1∶2∶4，使發(fā)射波瓣性能達(dá)到指標(biāo)要求。系統(tǒng)采用分布發(fā)射、功率空間合成的有源相控陣技術(shù)，降低了系統(tǒng)損耗。

根據(jù)系統(tǒng)加權(quán)要求，該雷達(dá)共采用1 600 W 的T/R組件8只、800 W 的T/R組件8只、400 W 的T/R組件4只。組件包含T模塊、R模塊和合成網(wǎng)絡(luò)模塊，各模塊結(jié)構(gòu)獨立，其中最大的1 600 W的 T/R組件由4個400 W的T模塊組成，因此由20個T/R組件組成的發(fā)射末級由52個基本400 W的T模塊組合而成。發(fā)射機(jī)末級一共有20只，每只驅(qū)動天線的一行。發(fā)射需要加權(quán)，發(fā)射掃描向采用3個品種的發(fā)射組件，發(fā)射功率約成倍數(shù)關(guān)系，權(quán)重為1∶2∶4，經(jīng)過計算對各權(quán)重的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，使發(fā)射波瓣性能達(dá)到指標(biāo)要求，圖3為發(fā)射掃描向權(quán)值分布示意圖。發(fā)射前級將接收機(jī)輸出的激勵信號放大到一定的功率電平，經(jīng)1∶20的功分器饋至20個收發(fā)組件的發(fā)射輸入端，推動末級工作。發(fā)射末級功率由最小發(fā)射功率單元模塊組合而成，發(fā)射功率1 600 W的末級由4個發(fā)射單元模塊合成。

圖3 發(fā)射掃描向權(quán)值分布示意圖

T/R組件外型設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱結(jié)構(gòu)，T模塊、R模塊和合成網(wǎng)絡(luò)模塊均采用插件結(jié)構(gòu)，各模塊間可實現(xiàn)快速插拔，如圖4所示。這樣就實現(xiàn)了雷達(dá)T/R組件的模塊化，統(tǒng)一并簡化了發(fā)射機(jī)內(nèi)部功率管、供電電源品種、窄帶濾波器和功率合成器的器件品種，降低了單個組件的發(fā)射功率，大幅度提高了T/R組件的可靠性。該組件設(shè)計已申請了《有源相控陣模塊化收發(fā)組件》專利技術(shù)(專利號201020617998.7)。

圖4 模塊化T/R組件(1 600 W)

2 T模塊熱設(shè)計[3-4]

T模塊是組件最主要的發(fā)熱源。這里為每個T模塊設(shè)計了獨立風(fēng)道，風(fēng)道口對應(yīng)組件的靜壓箱體，從而為各個T模塊均勻提供風(fēng)源。組件冷板上的散熱器和風(fēng)道中的冷卻空氣進(jìn)行熱交換，將組件工作過程中損耗的熱量帶走，達(dá)到降低晶體管結(jié)溫的目的。

2.1 散熱器及風(fēng)量的確定

組件冷板上的散熱器選用散熱效率高、重量輕的鋸齒型散熱器。在冷板設(shè)計中，還需同時考慮降低冷板散熱器熱阻、傳導(dǎo)熱阻、晶體管與冷板底板的接觸熱阻，確保在最惡劣的環(huán)境條件下功率晶體管的結(jié)溫不高于國軍標(biāo)所要求的三級降額使用標(biāo)準(zhǔn)160 ℃。

選用翅高H=30 mm、厚δ=1 mm、節(jié)距S= 4 mm的直齒散熱器。根據(jù)組件發(fā)熱區(qū)域的分布，確定散熱器大小為長L=260 mm，寬W=95 mm，組件底板厚3 mm,模塊基板為3 mm厚的銅板。進(jìn)風(fēng)溫度ta1=50 ℃，取溫升Δta=5 ℃，出風(fēng)溫度ta2=55 ℃。于是，單個組件風(fēng)量Q=80 m3/h。

2.2 末級管結(jié)溫校核

根據(jù)仿真計算，在環(huán)境溫度50 ℃、齒間風(fēng)速3 m/s時，末級管的殼溫為82 ℃，如圖5所示。

圖5 400 W的T模塊末級管溫度分布

接觸熱阻引起的溫差：

Δt2=PRco=40 × 0.2=8 ℃

(1)

式中，P為平均功率。

末級管結(jié)熱阻引起的溫差：

(2)

末級管結(jié)溫：

tj=82+8+60=150 ℃<160 ℃

(3)

滿足國軍標(biāo)三級降額標(biāo)準(zhǔn)tjmax≤160 ℃的要求。

2.3 散熱器阻力計算

(4)

式中：De為當(dāng)量直徑;Um為速度;μ為運動粘度系數(shù)。

摩擦系數(shù)為：

f=0.393Re-0.25=0.393 × 1 628-0.25=0.06

(5)

經(jīng)過組件散熱器的壓降為：

(6)

式中：g為重力加速度;r為空氣密度。

以1 600 W的T/R組件為例，選用2臺直流24 V PAPST 4114NH3的風(fēng)機(jī)，根據(jù)仿真計算，散熱齒間風(fēng)速為5 m/ s左右，完全滿足散熱需求。圖6為 1 600 W T/R組件風(fēng)道風(fēng)速分布仿真結(jié)果。

圖6 1 600 W的T/R組件風(fēng)道風(fēng)速分布

3 防護(hù)設(shè)計

3.1 材料及防護(hù)涂層

某地區(qū)高溫、潮濕加上沿海含鹽海風(fēng)的自然與地理條件，對風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備的使用環(huán)境條件提出了較高要求。在該雷達(dá)設(shè)計中，根據(jù)實際需求制定了多種應(yīng)對方案，如天線模塊采用環(huán)氧玻璃布包封，在常溫常壓下固化后包封層致密不滲漏，天線外觀堅固耐用，可抵抗冰雹的沖擊；天線骨架、支撐等大型結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接加工，表面酸洗后進(jìn)行熱鍍鋅處理，鍍層厚度不小于150 μm；戶外設(shè)備板材采用冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、不銹鋼板，厚度不小于2 mm，見表2。圖7為安裝陣面設(shè)備的戶外機(jī)柜。

表2 材料使用

圖7 戶外機(jī)柜

3.2 戶外結(jié)構(gòu)

雷達(dá)陣面電子設(shè)備防護(hù)采用密封結(jié)構(gòu)戶外機(jī)柜, 如圖8所示，防護(hù)等級達(dá)IP55。選用Gore散熱過濾器與智能風(fēng)機(jī)組合，防止空氣中的鹽霧顆粒、粉塵顆粒進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，并可根據(jù)溫度變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)量；機(jī)柜密封橡膠條材質(zhì)選用氯丁橡膠(CR)，該材質(zhì)耐老化、耐酸堿性，使用溫度范圍為-30 ℃～+120 ℃。

圖8 密封機(jī)柜散熱示意圖

4 結(jié)束語

模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化原理在應(yīng)用上的發(fā)展，它將通用化、系列化、組合化方法用于解決系統(tǒng)級的問題，所以模塊化設(shè)計的特點不是面向單個產(chǎn)品，而是面向整個產(chǎn)品系統(tǒng)(產(chǎn)品族)，有選擇地、柔性地用模塊構(gòu)成新的整機(jī)以至大的系統(tǒng)，從而在更高層次上實現(xiàn)簡化，是解決復(fù)雜系統(tǒng)的有效工具。

某新型高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計中運用模塊化的產(chǎn)品創(chuàng)新模式，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了制造成本。該項目自場驗收交付后，已連續(xù)無故障運行。在高溫、濕熱、鹽霧環(huán)境下，雷達(dá)性能穩(wěn)定可靠，并獲取了大量氣象數(shù)據(jù)。運行情況表明，新型高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)能夠滿足實際使用要求。

[1] 何平. 相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)[M].北京：氣象出版社, 2005.

[2] 李春田. 現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化前沿——“模塊化”研究報告(1)[J]. 世界標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理, 2007(2): 4.

[3] 楊世銘. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 1992.

[4] 陳恩. 電子設(shè)備熱設(shè)計研究[J]. 制冷, 2009, 28(3): 53-58.

談 洪(1966-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體研發(fā)工作。

朱 斌(1982-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)熱分析及研發(fā)工作。

Design and Realization of a New High Troposphere Wind-profile Radar

TAN Hong，ZHU Bin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Design and realization method of a new high troposphere wind-profile radar is introduced in this paper. The antenna and T/R components of the radar are designed as modules first. Then a new product is developed by combining the modules. Not only the system performance of the radar is enhanced greatly, but also the development efficiency of the product is improved based on the method. This paper also introduces the composition of a high troposphere wind-profile radar antenna array module, thermal analysis of the module and protection design of the outdoor equipment. It can be used as reference for design of other similar products.

antenna module; T/R component; modularization

2014-12-30

TN959.4

A

1008-5300(2015)03-0032-03