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（西安電子工程研究所，西安 710100）

1 收發(fā)機箱的結構組成

雷達天線收發(fā)系統(tǒng)機箱是某便攜式雷達的結構載體，其內(nèi)安裝了雷達的裂縫天線、T/R組件、頻綜、信號處理、數(shù)據(jù)處理、波控、電源等。采用電氣一體化設計技術，將信號處理與數(shù)據(jù)處理集成設計，波控與電源集成設計。采用總體結構集成設計技術，將雷達結構分為前端、后端兩個組成部分。

T/R組件共上下兩排，通過波導口與天線背面波導口連接，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組件的同側安裝面，四者組成的結構裝配體合稱雷達前端。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)機箱前腔，后端安裝在收發(fā)機箱后腔，兩者貼服在中空的密封的散熱風道面上。

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

2 收發(fā)機箱的密封風道

收發(fā)機箱采用全密封設計，首先天線輻射腔與后處理腔體密封，實現(xiàn)整個后處理腔體區(qū)域的電磁密封與水汽密封。各分機的熱量通過熱傳遞傳到風道散熱面，通過風機對流散熱完成。采用密封的散熱風道，整個雷達分系統(tǒng)與外界密封隔離，保證了雷達設備的防水、防塵及EMC要求。通過優(yōu)化錐形的中空散熱共軛風道，使整個機箱的熱控設計達到最優(yōu)化。優(yōu)化設計后的中空錐形共軛散熱密封風道，合理地分配了冷卻流，采用傳導與強迫對流風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。中空風道的散熱原理如圖2所示。

圖1 雷達結構組成

圖2 中空密封風道的散熱原理

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

3 收發(fā)機箱的輕量化設計

采用新型薄壁層疊結構形式，實現(xiàn)鋁合金箱體非承重風道面0.5～0.7 mm壁厚以下的工程設計與加工工藝設計。雷達的收發(fā)機箱，采用7075 T651鋁合金材料，五軸機床精密加工后熱處理成型，進行結構上的拓撲優(yōu)化設計。同時對散熱風道內(nèi)的散熱齒的高度、數(shù)量、形狀、厚度等參數(shù)進行優(yōu)化，在質(zhì)量和散熱指標之間找到最佳平衡點。

箱體設計的創(chuàng)新點在于密封風道的結構設計，將模塊各發(fā)熱面通過柔性導熱襯墊傳導到風道內(nèi)表面，風道的內(nèi)表面設計有散熱翅片，風道內(nèi)表面與外界相通，通過風機對流換熱與外界進行熱交換。

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左右進風口采用錐形增壓結構，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 新型薄壁層疊結構形式

為了增大箱體結構的強度和剛度，箱體采用整體成型的框架式承重設計?？紤]到便攜背負的具體質(zhì)量要求，機箱采用薄壁設計，除承重骨架安裝面外，其余承重的主體壁厚為0.8 mm。對于非承重風道面0.5～0.7 mm壁厚以下采用層疊薄壁設計技術。多個層疊薄壁設計，增加了許多類框架的薄壁高筋結構形式。在減輕質(zhì)量的前提下，增大了結構的剛度。

風道面層疊薄壁框架設計細節(jié)如圖4所示，風道冷板導熱面的多層翻折結構不僅可以增大接觸面的剛度，同時用來彌補導熱面高低不同造成的安裝不一致。

圖4 風道面的層疊薄壁設計細節(jié)

箱體的結構設計采用一體式的骨架設計，提高了主體結構的固有頻率，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

仿真時去掉了各種倒圓、小孔、微小突起等對于散熱影響甚微但嚴重影響計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，假設信號處理只通過設計的風道進行散熱，只保留了信號處理發(fā)熱模塊并將其簡化一個實體發(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，將其簡化為實體發(fā)熱單元，主要評估其殼體溫度。TR模塊風道的進風口處有防塵罩，內(nèi)部存在大量孔洞，對風阻有較大影響。對該模塊的詳細建模較為復雜，考慮用軟件自帶的多孔板模型進行簡化模擬。通過計算多孔板的孔隙率進行實際流阻的仿真，經(jīng)計算多孔板的孔隙率為0.55。

4.1.2 仿真結果

風冷散熱系統(tǒng)流場分布如圖7所示，風道內(nèi)風速大多處于2.5 ～5.0 m/s范圍內(nèi)，表明風道通風良好，能夠為散熱提供足夠的風冷源[2-3]。

圖6 雷達整體熱仿真模型

圖7 仿真結果

機箱內(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 ℃。仿真分析結果如圖9所示。

圖8 雷達整體溫度分布

圖9 T/R組件殼體溫度分布

雷達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 ℃的設計要求。仿真分析結果如圖10所示。

圖10 雷達信處溫度分布

4.2 力學仿真

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

應用模態(tài)疊加法分別對模型的3個方向進行隨機振動分析，隨機振動計算結果如表1所示。

表1 隨機振動分析結果

根據(jù)隨機振動仿真結果，雷達箱體結構整機橫向、垂向、縱向的最大均方根Von-Mises應力值分別為21.06、37.58、43.00 MPa，均小于材料的疲勞極限（148 MPa），因此能夠滿足雷達結構車載運輸振動性能要求。

5 結論

收發(fā)機箱采用全密封設計，實現(xiàn)整個前、后處理腔體區(qū)域的電磁密封與水汽密封。各分機的熱量通過熱傳遞傳到風道散熱面，通過風機對流散熱完成。采用密封的散熱風道，整個雷達分系統(tǒng)與外界密封隔離，保證了雷達設備的防水、防塵及EMC要求。通過優(yōu)化錐形的中空散熱共軛風道，使整個機箱的熱控設計達到最優(yōu)化。優(yōu)化設計后的中空錐形共軛散熱密封風道，合理地分配了冷卻流，采用傳導與強迫對流風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箱內(nèi)部，相對來說，雷達各分系統(tǒng)所受的環(huán)境交變應力也較弱，將濕熱試驗的溫度循環(huán)帶來的應力影響降到最低。

在設計質(zhì)量不受約束的條件下，雷達結構的高強度可以通過增加設備的結構質(zhì)量來實現(xiàn)。雷達同時受到便攜式雷達質(zhì)量輕的設計約束。如何權衡在兩個受限條件下的優(yōu)化設計是總體結構設計的關鍵技術。因此本機箱的結構設計在高強度力學要求下進行結構的輕量化設計，既滿足便攜設備質(zhì)量的輕量化要求，又滿足受力的要求。