某雷達平面陣列天線風冷研究*

關宏山

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

引 言

相控陣天線是現代相控陣雷達的核心設備，在一定程度上決定了雷達的系統方案，其中有源相控陣較無源相控陣具有更顯著的性能優勢[1]。但是有源相控陣雷達工作時，其有源陣列天線往往需要耗散巨大的熱量，需要采取經濟高效的冷卻措施來保證其長期工作的可靠性[2–3]。

風冷和液冷是相控陣雷達冷卻最常用的冷卻方式[4–7]。伴隨現代電子技術的飛速發展，設備熱流密度持續增大，液冷在雷達冷卻方面正得到越來越廣泛的應用。但是，風冷具有設備簡單、成本低、可靠性高、安全性好等諸多優點，仍然是目前雷達冷卻設計時需要優先考慮的方式之一。

某雷達平面陣列天線的有源設備熱流密度不高，為實現低成本、高集成度的雙重設計目標，確定采用集中式風源供風的強迫風冷方案。因此，其冷卻設計除了需要傳統風冷方案設計（如風冷組件的優化設計）外，還需要解決單一集中式風源條件下大型平面陣列天線的冷卻空氣流量精確分配難題，從而保證天線陣面各有源設備工作溫度的一致性。

目前，雷達冷卻方面的風冷技術文獻較多，但基本上均采用多風源的分布式風冷結構形式，難以實現高集成化和一體化，不符合雷達系統小型化、高集成化的發展潮流。然而，針對大型平面陣列天線采用單一集中式風源進行集成化風冷的文獻較少。本文結合某相控陣雷達風冷系統的研制，對其組件熱設計特別是集成化精確空氣流量分配進行了詳細論述，為實現類似的大尺寸多設備并聯電子設備的集成化、一體化風冷設計提供了有益的借鑒。

1 物理模型

某相控陣雷達采用單一風源對大型有源平面陣列天線進行強迫通風冷卻，冷卻空氣經空調降溫增壓后，經陣面下方的分風單元分為12路進入陣面前方的靜壓天線罩內，然后并聯流經96個數字陣列模塊（Digital Array Module, DAM），對DAM進行通風冷卻。其物理模型如圖1所示。

圖1 雷達天線陣面物理模型

2 數學模型

本文的冷卻介質為空氣，作為一種流體，空氣流動遵守的基本守恒定律是質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[8]。

質量守恒方程：

式中，u,v,w分別為x,y,z方向的速度分量。

動量守恒方程：

式中：ρ為流體密度；μ為動力粘度；p為流體壓強。

能量守恒方程：

式中：cp為流體比熱容；T為溫度；λ為流體導熱系數。

3 設計方案

該相控陣雷達有源平面陣列天線采用模塊化分布式設計。天線寬約4.32 m、高約0.88 m，水平向包括6列DAM，豎直向包括16行DAM，每4個DAM為一個數字陣列單元（Digital Array Unit, DAU）。全陣面共96個DAM，主要技術指標如下：

1）風冷陣面尺寸為4.32 m×0.88 m；

2）風源形式為單一空調集中送風；

3）總風量≥5 000 m3/h；

4）分風支路數為96路，6列、16行；

5）DAM熱耗為單件200 W；

6）DAM溫度≤75°C。

天線陣面冷卻方案設計除了需滿足上述小陣要求外，還需驗證今后天線陣面擴充后冷卻方案的適應性。由于天線結構的相似性，天線水平方向擴充對冷卻方案難度的影響不大，因此本系統研制時重點驗證天線高度方向擴充對冷卻方案的影響?？紤]車載公路運輸尺寸的限制，方案驗證時將天線電訊口徑高度由0.88 m擴展為2.2 m，即天線豎直向DAM由16個擴展為40個。

如前所述，整個天線陣面采用風冷冷卻。通風方式為前后通風，即空氣沿著DAM的深度方向（天線陣面的法向）流動，并要求陣面上所有DAM的供風盡量均勻。結合本雷達陣面的結構特點，決定采用靜壓箱孔板送風方案。該方案利用天線罩與天線反射板之間的空腔形成靜壓箱，在DAM前方的天線反射板上開若干通風孔形成孔板，氣流由靜壓箱下部進入，經孔板流經DAM散熱器進行散熱。因此，冷卻系統主要由風源、過渡風管、分風單元、靜壓箱（天線罩）、孔板、DAM散熱器等組成，具體工作原理如圖2所示。

圖2 天線冷卻設計原理圖

3.1 風源設計

風源是整個冷卻系統的動力來源，主要為系統提供適宜的冷卻空氣，可以是大型風機或空調器等，其主要技術指標為風量、風壓等。本系統為試驗系統，風源為某空調樣機，風量約為6 000 m3/h，壓頭為350 Pa。

3.2 過渡風管設計

在空調出口與陣面送風口之間需連接一段過渡風管，以匹配兩者之間的高度及方向差異，同時滿足雷達陣面0°～15°的俯仰動作要求。此外，風管結構設計還需重點考慮盡量減小空氣流動阻力，因此過渡風管采用大部分金屬折彎加局部帆布的復合結構形式。

3.3 分風單元設計

由于空調送風口較小，僅有約0.6 m×0.22 m，而試驗小陣天線陣面寬度達到了4.32 m，寬度比超過7。仿真分析發現，如果直接采用與空調送風口相等的矩形進風口將風送入陣面，DAM進風的均勻性較差，不能滿足設計要求。因此，有必要設計一個分風單元將風源送過來的集中式空氣合理分配到整個天線的寬度方向上。

經設計，分風單元采用矩形殼體形式，尺寸約為4.32 m×0.25 m×0.6 m，安裝在陣面的下方，位于過渡管道與靜壓箱之間，內部設計一定數量的分流擋板。仿真分析發現，采用分風單元后，DAM進風的均勻性大大提高。為了減小計算量，基于結構的對稱性，取分風單元的一半進行仿真。圖3為1/2分風單元內的風速分布，可以看出分風單元出口處風速具有良好的一致性，達到了預期目的。

圖3 1/2分風單元內的風速分布

3.4 靜壓箱設計

本系統的靜壓箱由雷達天線罩構成，因此除了環控通風要求外，靜壓箱還需同時滿足電訊系統的透波相關技術要求。經綜合考慮，天線罩確定采用矩形結構形式，安裝于雷達陣面的框架上。通過仿真分析將天線罩內部凈空間高度確定為200 mm左右。

3.5 孔板設計

孔板起到調節DAM供風口開孔率的作用，與靜壓箱配合使用以實現DAM的均勻供風。為簡化系統，提高天線的集成度，本系統將孔板與天線陣面反射板一體化設計，因此需要兼顧通風與電磁輻射的雙重要求。經優化設計，孔板最終采用圓孔結構形式，每個DAM開約140個Φ5通風孔。為了減小計算量，同樣基于結構的對稱性，取分風單元與天線陣面的一半進行仿真。圖4為1/2系統內的風速分布，全陣面風速具有良好的一致性。

圖4 1/2系統內的風速分布

3.6 DAM熱設計

DAM外形尺寸約為720 mm×300 mm×50 mm，內部集成16通道的收發組件，單個DAM的發熱功率約為200 W?？紤]該設備的發熱量較小、熱流密度不大，常規設計即可滿足散熱要求，因此其熱設計的重點是對散熱器進行優化，以獲得尺寸、重量、可制造性以及溫度水平的平衡。優化以專業熱仿真分析軟件為工具，重點對DAM散熱器的翅片長度和間距進行評估。綜合考慮DAM的溫度水平、重量尺寸以及可制造性等因素，確定散熱器的長度和間距分別為120 mm和5 mm，可以滿足設計要求。

4 試驗研究

4.1 試驗目的

在大量仿真計算的基礎上，通過試驗來完善分風單元、靜壓箱以及孔板等關鍵部件的設計，優化單一集中風源條件下大型平面陣列天線的冷卻空氣流量分配設計，并驗證目前所采用的陣面前后均勻分風方案的可行性。

為達到充分驗證的目的，如前所述，試驗以陣面高度方向擴展為2.2 m為研究對象。

4.2 試驗方法

考慮到擴展后的陣面尺寸較大，內部模塊數量多，完全加工制造成本偏高，且試驗研究的主要目的是驗證工程上陣面供風的一致性，因此在保證試驗具有指導意義的前提下，需要盡可能縮小陣面面積?？紤]到在陣面進行寬度方向擴展時，可以方便地在陣面寬度方向對送風口進行擴展，因此陣面冷卻空氣流量分配的主要難度來自陣面的高度尺寸。綜上所述，確定試驗研究陣面如下：豎直方向2.2 m，由40行DAM組成；水平方向1.44 m，由2個DAM組成。

試驗陣面由3臺風機提供試驗所需的風量，空氣經過渡連接管路、分風單元送往陣面靜壓箱，然后通過孔板經模擬組件排出。采用風速儀對經模擬組件排出空氣的速度進行測量，以此確定陣面分風的均勻性，試驗情況如圖5所示。

圖5 試驗陣面現場

4.3 試驗數據

采用風速儀測量每個DAM散熱器出風口的風速。由于DAM尺寸較大，為使每個DAM的測量盡量準確，每間隔50 mm測量一次，然后取平均值。圖6為第1行至第40行DAM的平均出風風速。

圖6 DAM平均風速分布

4.4 試驗分析與結論

由圖6可知，陣面從最低處的第1行到最高處的第40行，通過DAM的空氣流量的趨勢基本上是一條直線，即DAM的流量走勢從下往上基本均勻，表明本系統的相關設計和仿真正確、有效，對大型平面陣列天線采用集中風源前后分風的方式進行強迫風冷合理可行。

造成試驗測量數據在趨勢線上下波動的因素包括試驗模擬散熱器的加工誤差（采用木材加工，一致性較差）、安裝誤差、人員測量誤差等。

5 實物驗證

在前期仿真分析以及試驗驗證的基礎上對冷卻方案進行進一步優化，并據此開展真實試驗小陣的研制工作。圖7為去天線罩后試驗小陣實物圖。

圖7 去天線罩后試驗小陣實物圖

采用風速儀進行風速測量，考慮到安裝結構的限制，以每個DAU為一組進行測量，每組測量16個不同位置并取平均值，進而得到整個陣面的風速分布。陣面的風速分布應是連續的，因此可據此判斷陣面風量分布的均勻性。圖8為全陣面不同位置的風速測量數據，可見全陣面風速具有良好的一致性，與仿真分析得到的趨勢一致，表明相關設計合理可行。

圖8 試驗小陣全陣面風速分布

6 結束語

在雷達或類似電子設備冷卻方面，風冷方案仍然是冷卻系統設計時需要優先考慮的方式之一。

本文介紹的某相控陣雷達風冷系統與傳統常規風冷設計不同，采用集中式風源解決較大規模平面陣列有源天線的冷卻問題，有利于實現類似系統的高集成化風冷設計，豐富了高密度有源陣列天線冷卻設計的技術路徑，為同類系統的研制提供了一種有益的借鑒。