劉軍水 張偉濤 趙奎

摘要：為了設計出滿足用戶要求的大功率短波發(fā)射機結構，詳細描述了結構設計思路，通過介紹整機結構布局設計、機柜機箱設計、熱設計和散熱仿真，達到對大功率短波發(fā)射機結構設計作總結的目的，對短波通信行業(yè)的設計人員提供一定參考。

關鍵詞：短波；大功率；液冷；仿真

0引言

隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，各種通信手段不斷完善，作為傳統(tǒng)重要通信模式的大功率短波通信雖然受到了挑戰(zhàn)，但也因其特有的優(yōu)勢：成本較低，構建、組網(wǎng)工作具備快捷性、靈活性，使其應用渠道不斷得到拓寬。即便大功率短波通信發(fā)射機處于惡劣的通信環(huán)境下，其數(shù)據(jù)信息的傳輸以及通信效率都可以得到強有力的保障。結構設計是某大功率短波發(fā)射機研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它對保證大功率短波發(fā)射機優(yōu)良性能和可靠性起著重要作用。

1結構設計思路

依據(jù)某大功率短波發(fā)射機實際使用情況，嚴格按照所引用的各類標準及要求進行結構設計，貫徹標準化、模塊化的設計思想，以提高設備的可靠性、互換性，降低成本、縮短研制周期；發(fā)射機各單元采用19英寸標準上架插箱，通過導軌安裝在機柜上，機柜安裝大承重腳輪；運用人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的設計原理，對設備進行了全面考慮、合理布置，保證設備人機交互良好，使某大功率短波發(fā)射機工作環(huán)境舒適，操作維修方便，安全可靠；應用、吸取現(xiàn)有設備的優(yōu)點和成熟技術，優(yōu)先采用經(jīng)實踐證明的可靠的設計及工藝。設備包裝滿足鐵路、公路、空運和水路運輸要求。

為滿足發(fā)射機45℃環(huán)境下正常工作的要求，進行了合理的熱設計，其中功放單元采用高效液冷散熱技術，液冷單元需具有多點檢測，監(jiān)測水壓、水泵電流等手段，以保證液冷單元的可靠性；液冷單元能方便更換液體和組成零部件，具有良好的可維修性，且各組成零部件需具有良好的防腐蝕性能；

2整機結構設計

某大功率短波發(fā)射機主機由3個機柜設備并聯(lián)組合而成，高度全部為32U，整齊劃一，具有互換性，降低了成本。尤其是在減小設備體積，優(yōu)化散熱設計，增強設備防護，靈活安裝應用等方面進行了改進。主機各單元設備包括功放單元、發(fā)射機控制單元和激勵單元等單元。總外形尺寸為：寬×高×深：1810 mm×1600 mm×900 mm。外形尺寸如圖1所示。

設備結構運用成熟技術的同時，結合采用目前國內外先進的、經(jīng)過實踐證明的新材料、新工藝，便于生產(chǎn)和維修。整體外觀設計簡潔明快，具有現(xiàn)代感和良好的人機關系。

主機中的各單元部件采用模塊化設計，符合國標和軍標對尺寸系列要求，通過導軌安裝在機柜內，機柜后部對應單元的位置布置有跟線架，左后邊設計有接地導條。功放機柜預留了1個2U 和2個1U 空間，綜合機柜預留了4個1U 空間，充分考慮了互換性和將來的功能擴展，便于生產(chǎn)和維修。

3機柜機箱設計

機柜機箱是安裝和保護電子設備內各種元器件與機械零部件的重要結構，對于排除各種復雜環(huán)境對設備的干擾，保證設備安全、穩(wěn)定、可靠地工作，提高設備的使用效率以及增加設備安裝、維護的方便等方面起著重要作用。

機柜選用優(yōu)質冷軋鋼板，折彎焊接成型。前后門開有密排通風孔保證良好通風散熱。內設安裝板與走線架安裝板，安裝板上下焊接連接上頂與下底。下底用厚鋼板加固適用于腳輪的安裝，上頂焊接厚板材加固4處吊環(huán)處，保證抗拉性，吊起時不變形。導軌均采用優(yōu)質高承載性三節(jié)導軌，安裝牢靠，移動順暢。機柜的設計能保證不同的插箱可以根據(jù)外觀、接線、電性能的需要進行配置和互換。

機箱均采用19英寸上架插箱形式，滿足所引用標準的要求，安裝導軌后裝入機柜。設計機箱時，在給定的使用環(huán)境中，綜合考慮設備內部的占用空間、熱影響和電磁干擾，使機箱具有足夠的強度和剛度，確保機箱內部各模塊、器件、電路板的安裝連接可靠，保證設備電性能的穩(wěn)定。

4熱設計

某大功率短波發(fā)射機各單元滿足環(huán)境溫度：工作溫度：-15℃～45℃，貯存溫度：-40℃～65℃。

發(fā)射機各組成單元依據(jù)散熱功耗的不同，采用不同的散熱方式，其中功放單元的功耗和熱流密度最大，功放單元設計方案是8個3 kW 功放單元合成出某大功率，熱設計采用液冷+強迫風冷相結合的方式。激勵器和發(fā)射機控制單元以及其他各單元均采用通風強迫風冷散熱方式。

功放單元采用高效液冷散熱技術，在總體積和散熱能力方面有顯著的優(yōu)勢。液冷工作過程主要是冷卻液經(jīng)泵，按照一定壓力及流量進入冷板，在冷板中與發(fā)熱器件進行換熱，冷卻液溫度上升帶走熱量，升溫后的冷卻液進入換熱器，與空氣或者其他冷源換熱，冷卻液溫度下降，進入水箱，經(jīng)過泵的作用再次進入冷板，形成一個完整的循環(huán)。在冷板內部設計有流道，發(fā)熱器件就安裝在冷板上。功放單元冷板材料選用鋁，冷卻液為65#冷卻液（65%的乙二醇水溶液），入口溫度為45℃，入口速度2.314 m/s。

功放單元冷板流道曲線及發(fā)熱源分布如圖2所示，總發(fā)熱耗功率 Q 為3900 W。單個功放板的發(fā)熱功率為937.5 W，4個功放板的發(fā)熱功耗占整個功放單元功耗的96.5%左右。因此在實際工作中，功放板是整個功放單元發(fā)熱最嚴重的部分。

5散熱仿真

為驗證散熱效果，使用 ANSYS 軟件對功放單元進行熱仿真分析。仿真中設置環(huán)境溫度為45℃，仿真結果如圖3、圖4。其中圖3為功放模塊、冷板和換熱器溫度分布云圖，圖4為流道流速矢量圖。從中可知流道流速正常，功放模塊的溫度最高為71.5℃，小于功放管允許的最高溫度。因此，功放單元熱設計滿足要求。

發(fā)射機控制單元采用通風強迫風冷散熱方式，主要發(fā)熱模塊全部靠左邊放置，風道就安排在左邊一側。圖5為發(fā)射機控制單元溫度分布云圖，從中可知電源模塊芯片的溫度最高為72.4℃，小于電源模塊允許的最高溫度。因此，發(fā)射機控制單元熱設計滿足要求。

6結束語

為適應現(xiàn)代高科技電子戰(zhàn)不斷演變的需要，某大功率短波發(fā)射機結構設計需解決的課題會越來越多，它是一個完整的自上而下的設計過程，先明確總體方案（主題），再構思具體內容，邏輯遞減又緊密關聯(lián)，實踐證明這是一種非常高效的設計方法。

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