雷达发射机热设计

1、雷 达 发 射 机 热 设 计肖 竑（南京电子技术研究所 南京 210013）hong_xi2522摘要 本文介绍了雷达发射机热设计的基本原则、手段以及典型雷达发射机的冷却形式，介绍了雷达发射机常用元器件的冷却途径和安装原则，最后介绍了某舰载相控阵雷达冷却系统。1.引言任何雷达均处于一定的环境条件下生产、运输、储存和使用，温度对雷达系统的影响尤为重要。高、低温及其循环会对雷达中大多数电子元器件产生严重影响，它会导致电子元器件的失效，进而影响整个雷达设备的失效，这一点在大功率的雷达发射机上表现最为突出。有资料表明，固态雷达发射机中，功率晶体管的结温每增加10，其可靠性就会下降60%。随着电子元器

2、件的小型化、微小型化，集成电路的高集成化和微组装，元器件、组件的热流密度不断提高，热设计也正面临严峻的挑战。现代电子设备热设计以传热学和流体力学为基础，结合电子设备电讯和结构的实际情况，辅以先进的软件仿真研究和热测试的手段，通过选择合适的冷却形式，为电子设备创造出一个良好的工作环境，确保发热元器件、整机或系统在允许的温度下能够稳定可靠的工作。雷达是一个复杂庞大的电子系统，内部集成了各种规格、型号的众多电子元器件，发射机作为雷达的关键设备,其功率密度要求有好的散热途径。随着现代雷达技术的发展和功率器件制造技术的不断进步，雷达发射机的组装密度、功率密度不断提高也已成为当前雷达发展的重要标志。大型相

3、控阵雷达T/R功率组件、机载大功率发射机以及第四代固态发射机、星载T/R组件等都对冷却提出了更高的要求。可行的冷却方式、优良的冷却效果已经成为整个雷达具备高可靠性指标越来越重要的支撑。2.雷达发射机热设计的基本原则热设计的基本任务就是设计出适合本电子设备需求的冷却系统，在热源至最终散热环境之间提供一条把热量迅速传递出去的低热阻通道，以便满足电子设备可靠性的要求。为了保证雷达发射机的可靠性，热设计一直作为整个设计过程中的重要步骤。在进行雷达发射机热设计时，应结合雷达发射机本身的实际情况，从以下几个方面加以考虑：1) 冷却系统具有良好的冷却功能。保证雷达发射机内需要进行热控设计的电子元器件能够在规

4、定的环境（尤其是高温环境）中正常的工作；2) 冷却系统具备高可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的可靠性指标应大于等于雷达系统分配给冷却系统的可靠性指标要求。冷却系统中的元器件的可靠性指标应该符合冷却系统可靠性指标的分配要求。甚至冷却系统还应考虑在某些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力； 3) 冷却系统应具有良好的环境适应性。冷却系统的冷却能力在设计中必须有一定的裕量，以适应工程上的变化和长期使用后由于积灰、污垢引起的流体阻力的增加而造成的散热能力的下降等情况；4) 冷却系统具有良好的维修性，操作、维护方便；5) 冷却系统应有良好的安全设计。加强电气安全设计，同时转动部件以及采

5、用的冷却介质等对操作人员应无危害，此外还有冷却介质与接触的元器件表面相容；6) 设计出来的冷却系统要求有良好的性价比。成本核算包括初次的投资成本、日常运行以及长期维护的费用。3. 雷达发射机热设计的手段由于现代雷达发射机技术的发展和产品研制周期的缩短，传统经验式的热设计手段已越来越制约雷达发射机冷却技术的发展，根本满足不了诸如大型有源相控阵、机载大功率以及星载等雷达中发射机热设计的迫切需求。冷却系统在研制设计过程中亟需提高分析和解决实际问题的能力，比如：航天及机载等恶劣环境条件下雷达发射机的热设计仿真，相控阵雷达阵面风冷系统以及液冷系统温场、流场模拟分析等。热设计软件仿真和热测试是热设计过程中

6、的两个强有力的工具。在早期的设计过程中可以通过软件模拟组件、机柜甚至整个冷却系统的温场和流场等情况，同时通过关键件（如：冷板等）的热模拟测试，选择和优化冷却形式，并且在整个设备完成调试后对其再次进行热测试，检查其温度分布是否满足设备的实际工作要求。目前我们在雷达发射机热设计中常用的热分析软件有：SINDA/G、I-DEAS中的ESC、FLOTHERM、ICEPAK和FLUENT等。4.几种典型雷达发射机的冷却形式雷达发射机的冷却方式主要是根据其中电子元器件、设备的发热密度（即单位面积耗散功率）数值来选择的。其次是根据元器件的工作状态（直流工作状态还是脉冲工作状态，以及脉冲工作状态时的占空比），

7、设备复杂性、空间或功耗大小，环境条件（气温、海拔高度等）以及经济性。综合考虑各方面的因素，使其既能满足热设计的要求，又能达到电气性能指标，所用的代价最小，结构紧凑，工作可靠。根据雷达发射机的体制、功率大小、主要元气件和使用的环境条件大致可以分成以下几种：大功率电子管雷达发射机、集中式固态雷达发射机、分布式固态雷达发射机、机载雷达发射机、机载固态发射机、星载发射机等。4.1大功率电子管雷达发射机大功率电子管雷达发射机，平均功率达到几十千瓦以上，其中的末级管一般均需采用强迫液冷，有较高绝缘要求的采用油冷，其它的一般采用水冷（加防腐、防冻剂）。高压电源中的变压器和电感器以及硅堆等，由于这些元器件均处

8、在高电压下，要兼顾高压绝缘和散热这对矛盾，我们现在一般采用直接浸没冷却，再通过油箱体的对流和辐射散热。低压电源及其它电路，一般采用自然风冷、强迫风冷或强迫液冷，具体采用那种根据使用条件和功率密度来确定。4.2集中式固态雷达发射机这种雷达发射机大都采用强迫风冷和强迫液冷，根据雷达的使用条件和性质选择，在发热密度小于1.55W/cm2时采用强迫风冷 。其中的功率组件为了避免潮湿、灰尘以及盐雾等对微电路的影响，均采用密封结构形式，在密封功率组件的外面加风冷冷板或液冷冷板；电源和其它电路有采用直接强迫风冷的，也有采用间接强迫风冷的，强迫液冷均为间接冷却。4.3分布式固态雷达发射机这种雷达发射机中的发射

9、和高频接收做在一起，及T/R组件，分布于整个天线阵面中。根据天线阵面的体积尺寸和结构形式确定采用强迫风冷或强迫液冷，近来发射功率的不断加大，功率密度进一步提高，在强迫液冷中我们采用了准微通道冷却。在某舰载相控阵雷达中T/R组件采用空调风冷，子阵、电源等采用强迫液冷。4.4机载雷达发射机由于机载雷达环境条件的特殊性，除了-55-71的高低温循环和强烈的振动冲击外，还要满足从8千米到2万1千米的低气压条件。根据飞机提供的冷却条件和发射机发射管的冷却要求来选择冷却方式，其中的高压电源由于要解决低气压下的高压绝缘，大都采用浸油冷却，油再通过冷板或换热器最终由冷却风或冷却液带走。其余电路均采用间接风冷或

10、液冷。在某产品中我们采用了FC77冷却微波器件。4.5机载固态雷达发射机一般采用间接液体冷却，即液冷冷板的形式。我们在某产品中采用了准微通道冷却，解决了高密度发热器件的散热问题。4.6星载发射机星载发射机在航天环境下，热量最终通过辐射散到外界空中，同时还要兼顾迎阳面和背阳面两种卫星工作状态，一般采用被动式热控方案，即利用瞬态热容蓄热原理。T/R组件安装在铺设热管的安装板上，安装板背面装有蓄热器，当T/R组件工作发热时，热管拉平不同T/R组件间的温度，同时将热量导入蓄热器中，如不能满足散热要求，则通过辐射天窗将热量散出；在背阳和T/R组件不工作时，蓄热器中的热量返回到T/R组件，使其温度不至于过

11、低。5雷达发射机中元器件冷却途径和安装原则在雷达发射机的实际换热中，导热、对流换热和辐射换热三种换热方式并非是单独发生，往往是两种以上的换热方式同时发生，例如，星载的T/R组件是导热和辐射同时发生的，不加冷板和换热器的浸油式变压器和电感是自然对流、导热和辐射的组合换热。5.1空气冷却采用空气来冷却电子设备发热器件，是一种比较直接的冷却形式，冷却系统的组成相对较少，设备成本低，维护比较方便。空气冷却分为自然对流和强迫对流，其中以自然对流更为简单，强迫对流又可以分为开放式空气对流和闭式空调风循环冷却。5.1.1电子器件自然对流的安装技术1. 热安装基本原则 a. 对温度敏感的热敏元器件应放在设备的

12、冷区（如冷却空气的入口处附近），不应放在发热元器件的上部，以免热量对其影响。b. 元器件的布置可根据其允许温度分类，允许温度较高的元器件可放在允许温度较低的元器件之上。也可以根据耐热程度按递增的规律布置，耐热性好的元器件放在冷却气流的下游（出口处），耐热性差的元器件放在冷却气流的上游（进口处）。c. 带引线的电子元器件应尽量利用引线导热，安装时要防止产生热应力，应有消除热应力的结构措施。d. 电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及有利于提高气流紊流程度。e. 应尽可能地减小安装界面热阻（接触热阻）及传热路径上的各个热阻。f. 元器件的安装要便于维修。2. 典型元器件自然冷却的主要热途径（1

13、）晶体管耗散功率小于0.5W的小功率管，主要靠晶体管管壳对周围的自然对流来冷却，而管壳的辐射散热或通过各极引线的热传导都很小。耗散功率在0.5W以上的晶体管，往往采用不同结构型式的散热器来冷却，晶体管与散热器之间的接触面应光滑、平整，不得有挠曲或凹凸不平的地方，两接触面之间最好涂一层导热脂，并有足够的压紧力。散热器应选用导热系数高的材料，如：紫铜或纯铝。（2）电阻电阻一般通过固定连接片或引出导线来传热，其次是电阻表面的对流和辐射。功率为0.5W的碳质电阻，通过传导散去的热量占50%，对流占40%，辐射占10%。（3）变压器变压器的热源为铁芯，其散热途径为导热、辐射和对流。其中导热是主要的，故设

14、计应从加强热传导方面着手。如果变压器不带外罩，则固定面与铁芯要仔细加工，使支架形成良好的热接触。采用密封式变压器时，外罩和支架要保持良好的热接触。（4）电子管a.不带屏蔽罩的电子管这类电子管在自由空间的传热方式主要靠电子管玻壳表面对周围空间的辐射，其次为对流，传导散走的热量不超过5%。因此，为了改善散热情况，电子管的相互位置不宜过挤，管壳中心距一般不小于直径的1.5倍。电子管与其它元件，电子管与机壳侧壁也不宜太近，彼此间隙一般不小于13毫米，不然就会影响自然对流的正常进行。b.带有屏蔽罩的电子管屏蔽罩除起散热作用外，还起电气屏蔽和对玻壳的机械保护作用。其热流途径是：屏蔽罩吸收管壳的辐射热；管壳

15、通过金属弹簧对屏蔽罩传导热量；屏蔽罩再靠表面自然对流；屏蔽罩到底座的传导来散热。 3. 散热器选用的基本准则a.选用导热系数大的材料（如铜和铝等）制作散热器；b.尽可能增加散热器的垂直散热面积，肋片间距不宜过小，以免影响对流换热。同时要求尽可能地减小辐射的遮蔽，以便提高其辐射换热的效果；c.用以安装晶体管的安装平面要平整和光洁，以减小其接触热阻；d.散热器的结构工艺性和经济性要好。5.1.2空气强迫对流1. 强迫风冷应用场合及效果当器件发热密度大于0.155瓦/厘米2时，用对流、辐射、传导等自然冷却方法就不能有效地将热量带走，这时必须采用强迫风冷。强迫风冷与自然冷却相比，热转换能力有一个数量级

16、地增加。 当器件耗散功率大于50瓦时，用辐射或自然对流冷却，器件的散热器尺寸就会变得过于庞大。若用强迫风冷则能达到令人满意的效果，这时散热器所占据的体积只有自然冷却的1/3。 强迫风冷比自然冷却要复杂，但比强迫液冷要简单。因为不但冷却空气容易获得而且没有结冰、沸腾和冷却液泄漏等问题。与自然冷却相比，强迫风冷的复杂性主要是增加了冷却风机、通风管道、滤尘器以及连锁装置等。另外降低了系统的可靠性，增加了振动和噪声。2. 强迫风冷设计宗旨 电子设备强迫空气冷却系统设计的主要依据是在额定的耗散功率下，力求使用最小的驱动功率，达到元器件温度低于允许的安全工作温度，确保电子器件的寿命。强迫风冷另外两重要因素

17、是冷却系统的重量和体积。3. 强迫风冷面临的问题 1)为电子器件设计、选用风冷散热器2)选择合适的风扇或鼓风机。这两个问题必须联合起来加以解决。风机所能提供的实际风量由风扇工作时所能产生的风压来确定；强迫风冷所能获得的热能转换值，以及强迫空气通过冷却散热片所需风压，这两者取决于空气流量和散热器的几何形状。因此，散热器的设计、选择必须连同风机的选择结合起来加以考虑。4. 强迫风冷设计基本原则1) 确定冷却空气进气温度及压力；2) 确定每一器件的允许温度；3) 确定在保证器件许可温度范围下的雷诺数Re；4) 根据器件外形尺寸和所需的Re，确定所需的空气重量流量；5) 根据电讯要求，允许的空间位置，

18、以及器件耗散功率的大小，选择元件的排列与间隔；6) 强迫通风的气流方向应与自然对流方向取得一致；7) 应将不发热和发热量小的元器件排列在气流的上游（即气流的进口断），发热大或耐温高的元件排列在气流出口段；8) 强迫风冷时，进风口、出风口应尽量远离，以防气流短路；9) 强迫风冷机柜的面板、测板、后板，没有特别需要一般不得开置通风孔、百叶窗，以防风短路；10) 当器件在高空或高的进风温度下工作时，一定要将在海平面以及进风温度为20所得出的计算加以修正，并推算到相应海拔高度和进风温度时的情况；11) 在选择、安置风机时，应充分考虑到振动、噪音以及滤尘问题。5 风管道设计原则对于有专门通风管道的强迫通

19、风系统，正确地设计和安装通风管道对散热效果有较大的影响。通风管道设计应注意以下几个问题：a. 通风管道应尽量短，缩短管道长度可以降低风道的阻力损失，制造和安装简单。b. 避免采用急剧弯曲的管道，以减少阻力损失。c. 避免骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不得超过20°，收缩的锥角不得大于60°。 d. 为了取得最大的空气输送能力，应尽量使矩形管道接近于正方形；短形管道长边与短边之比不得大于61。 e. 尽量使管道密封，所有搭接台阶都应顺着流动方向。f. 对一些大机柜尽可能采用直的锥形风道。直管不仅容易加工，且局部阻力小；锥形直管能保证气流在风道中不产生回流（负压），可达到等量送

20、风的要求。g. 进风口结构应使其气流的阻力最小，且要起到滤尘作用。h. 应采用光滑材料做通风道，以减小摩擦损失。6风冷冷板的设计强迫风冷的冷板散热器有各种形式，常见的有肋条型、针肋型和板翅式散热器等。雷达发射机强迫风冷中比较常用的是板翅式散热器，其中翅片结构有光直型、锯齿型和多孔型三种形式。光直肋，因其当量直径小，有利于增强传热；多孔肋则靠孔区的混合流（紊流）来提高换热系数；锯齿型肋由于层流边界层的叠加，其换热能力有较大的提高。在相同的肋间距的条件下，该形式肋片的换热系数比光直肋要大23倍。因此，雷达发射机风冷冷板设计中多采用锯齿型肋。板翅式换热器的主要优点有：1) 传热效率高；2) 结构紧凑

21、；3) 轻巧而牢固；4) 能够满足安装在飞机、车辆等抗振强度要求高的场合；5) 适应性好，可适用于气-气，气-液，液-液的各种场合。其缺点有：1) 流道很小，容易堵塞；2) 清洗和检修困难。5.2液体冷却电子设备的液体冷却按照电子器件与液体的接触情况大体上分为两类：直接液体冷却和间接液体冷却。5.2.1 直接液体冷却直接液体冷却就是让冷却液直接与发热的电子器件紧密接触，电子器件将耗散的热量直接传给液体，再由冷却液将热量传给壳体，或带到换热器中去，最后由壳体、或换热器将热量散发出去。根据系统的结构和作用原理又分为：1电子器件直接浸入液体中的冷却由于电子器件被直接浸入液体中，液体被加热后使液体的密

22、度减小，体积膨胀而上升，当受热上升的液体运动中直接与机壳冷表面接触后，液体变冷，体积收缩，密度增大而下降，从而形成自然对流把热量散发出去。这种方法是所有换热方法中最简单的一种。它广泛用在功率较大的变压器、电感以及高压整流设备中，如图1所示。这种冷却方式中，由于液体的密度差所引起的自然对流，它的温度场是不均匀的。在设备中形成顶部温度高，底部温度低的特点。该装置放在自由空气中机壳有效表面的最大耗散密度可达0.0775瓦/厘米2。若机壳外部采用通风等其它更有效的冷却，机壳有效表面的最大耗散密度可达0.31-0.47瓦/厘米2。2直接强迫液体冷却冷却液用一低压泵送出去后，在电子器件的表面高速度流过而得

23、到充分的换热，受热后的液体再通过换热器将热量散发出去，这一过程大大提高了电子器件冷却效率，它是一个密封循环系统。在大功率速调管的收集极、管体冷却，大功率整流管和功率三、四极管的阳极冷却中应用较广。冷却系统中的膨胀箱，可以作为液体受热膨胀时补偿用，同时还可以用作排除系统中的气体。冷却液可以是水，变压器油，航空液压油，或者是其它有机溶液。3直接液体冷却中要注意的问题必须考虑液体的膨胀，在系统中设有膨胀箱、波纹管，或其它合适的装置；必须保证机壳有足够的强度和密封性能；应该考虑冷却液与电子器件，以及与系统中所应用的金属之间的电和化学的相容性；电子器件的布置和相对位置应该使获得最大的对流，冷却液应首先通

24、过热敏感元件后再通过其它发热元件；系统应考虑冷却液的泄放，以及日常维修的方便。5.2.2间接液体冷却在间接液体冷却中，冷却液并不与电子器件直接接触，而是将电子器件装在一个由液体冷却的冷板上。这个冷板作为安装电子器件的底盘，同时又是换热器。热量通过自由对流、传导或辐射由器件传至冷板，再由冷板传给冷却液，并由冷却液把热量带走。根据电子设备的结构要求可以设计成多种形式的冷板。要使间接液冷效果显著，必须减少热流路径中的三项热阻。第一要减少器件与机壳（冷板）的接触热阻，安装面必须平坦、光洁，而且要有足够的压紧力，接触面之间最好填充导热脂；第二要减少传导热阻，必须使冷却管道尽量靠近发热器件，以缩短热传导路

25、径，并且尽量采用导热系数高的铝或铜作为机壳（冷板）的材料；第三减少管道与冷却液之间的对流换热热阻，可以增大管道中冷却液的流量，改变流动状态等。5.2.3冷却介质电子设备用的冷却介质的选用主要根据冷却介质的特性，同时还应考虑冷却介质与电子元器件接触与否。一般要考虑以下五个方面：1）冷却介质的热特性参数 包括导热系数、比热、密度、粘度、膨胀系数、表面张力等。2）冷却介质的物理特性 使用冷却液的方便性和安全性，包括适当的沸点和冰点。对密封设备，要求冷却介质的表面张力低一些。选择尽量高的闪点、燃点和自燃温度，以及尽可能低的易燃性。3）冷却介质的电气特性 当冷却介质使用在高压环境中时尤其要考虑，包括介电

26、强度、体积电阻率、介电常数和损耗因素等。4）冷却介质的相容性 当采用冷却介质直接接触冷却元器件时，与元件的相容性要好，不产生化学反应，热稳定性要好，不易挥发。5）冷却介质要求适合长期使用，成本要低。几种常用冷却介质性能如表1所列。表1 几种常用冷却介质性能冷却剂粘度/(kg·m-1·s-1)密度/(kg·m-3)导热系数k/(W·m-1·-1)比热Cp/(J·kg-1·-1)沸点冰点水10306013.06×10-48.01×10-44.70×10-4999.9995.7983.20.5740.

27、6180.6594191417441791000FC-77030602.356×10-31.288×10-30.805×10-31838176516910.06490.06310.060910051056110597-俄罗斯“列娜-65”乙二醇防冻液-600602710×10-316.1×10-32.124×10-31143110210620.3150.3220.359239028473303>120-656典型实例介绍：某机载雷达发射机冷却设计某机载雷达发射机其平均输出功率大于1kW，工作电压16kV，总功耗量级大于4kW，此

28、发射机的功率密度已达21W/kg，由于行波管电子枪引出线部位不适用于低气压工作状态，而冷却手段为液冷，故发射机设计成全封闭结构。为使设备调试和检修方便，用一块水冷基板作基本构件，行波管，高压线路和低压线路分别安装于水冷基板两侧，形成一个“发射机芯”。为提高高压线路绝缘的可靠性和电路器件的热转移，采用灌甲基硅油的油箱结构，虽然带来重量的增加和结构的复杂性（膨胀箱、灌油接头等附件的增加），但从总的工艺和结构复杂性方面比较，比空气作绝缘介质的结构仍较简单易行。除高压线路外，其余低压线路分别在0.080.12Mpa密封罩内。6.1发射机热耗行波管 3500W高压包 350W低压包 450W其余 70W

29、总共 4370W6.2 冷却剂冷却剂选用列娜-65#防冻液，输入的最高温度为50。6.3 液冷支路和流量分配发射机冷却液输入总流量为0.72m3/min，直接进入水冷基板。水冷基板内分为二个并联支路通道。一路为行波管通道，流量为0.42 m3/min，第二路为低压包内变频器冷板通道，流量为0.30 m3/min，由装于水冷基板上的流量调节阀分配。输入输出压差5kg/cm2。其示意如图1： 图1液冷支路和流量分配6.4 主通道流阻计算（室温）abcdefgh流经行波管的主通道，截面为6×52，其流阻值最大。计算得：abc段水道沿程和局部阻力为0.87kg/cm2；cd段加ef段沿程和局

30、部阻力为0.44kg/cm2；fgh段沿程和局部阻力为0.46 kg/cm2；de段（行波管内部）阻力为2.5 kg/cm2。通道总阻力损失为P=0.87+0.44+0.46+2.5=4.27kg/cm2。此流阻在计入自封接头和冷板加工中焊料堵孔现象以及计算误差等，有可能出现额定压力下流量不足现象。解决途径：一是改进工艺；二是加大通道截面6×52改为7×72，冷板通道流阻约可降低3.5倍，满足压差为5kg/cm2时流量0.72m3/min的要求。6.5各支路温度1. 行波管功耗3500W，流量0.42 m3/minP功耗Cp比热M质量流量出液温度：58.55平均温度：54.32. 变频器冷板（低压包内）功耗450W，流量0.30 m3/min出液温度：51.5平均温度：50.8冷板表面温度：当量水道截面积f：6×62管通道长度L：650湿润面积F：0.0156定性温度T：50.8流体密度：1.0825 流体运动粘度：2.598×10-6/S导热系数：34.6×10-2W/m.=0.2976ka