輕量化雷達收發機箱的全密封結構設計

方益奇，白雅潔，張天寧，王鈺涵

（西安電子工程研究所，西安 710100）

1 收發機箱的結構組成

雷達天線收發系統機箱是某便攜式雷達的結構載體，其內安裝了雷達的裂縫天線、T/R組件、頻綜、信號處理、數據處理、波控、電源等。采用電氣一體化設計技術，將信號處理與數據處理集成設計，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，為節省走線空間，降低電纜長度和質量，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稱為后端。前端安裝在收發機箱前腔，后端安裝在收發機箱后腔，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 收發機箱的密封風道

收發機箱采用全密封設計，首先天線輻射腔與后處理腔體密封，實現整個后處理腔體區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化。優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箱體內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

雷達各分系統均密封在收發機箱內，該設計方法首先將考慮雷達的各分系統的連接，包括傳統設計中電纜接頭的密封等，均在密封的箱體內完成。箱體內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，雷達內的各分系統的熱量，均傳遞到該風道的內表面，風道的內腔設計有散熱翅片，在分系統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，通過風道內高速的冷卻氣流完成與外界的熱量交換。

3 收發機箱的輕量化設計

采用新型薄壁層疊結構形式，實現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化設計。同時對散熱風道內的散熱齒的高度、數量、形狀、厚度等參數進行優化，在質量和散熱指標之間找到最佳平衡點。

箱體設計的創新點在于密封風道的結構設計，將模塊各發熱面通過柔性導熱襯墊傳導到風道內表面，風道的內表面設計有散熱翅片，風道內表面與外界相通，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化前后如圖3所示。熱仿真減重優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，散熱翅片經過優化，厚度為0.4 mm。翅片比優化前可減輕質量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。考慮到便攜背負的具體質量要求，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

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熱模塊并將其簡化一個實體發熱體元。電源和頻綜發熱量相對較小，并且對溫度不敏感，將其簡化為實體發熱單元，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

風冷散熱系統流場分布如圖7所示，風道內風速大多處于2.5 ～5.0 m/s范圍內，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

機箱內的溫度場分布如圖8所示，高溫度出現在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 ℃，出現在FPGA處，小于85℃，滿足系統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《軍用設備環境試驗方法第16部分：振動試驗》中組合輪式車振動環境施加激勵譜[1]。

應用模態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

收發機箱采用全密封設計，實現整個前、后處理腔體區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化。優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箱體內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。環境溫度的變化，經過較長的阻尼才能傳遞到機箱內部，相對來說，雷達各分系統所受的環境交變應力也較弱，將濕熱試驗的溫度循環帶來的應力影響降到最低。

在設計質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量來實現。雷達同時受到便攜式雷達質量輕的設計約束。如何權衡在兩個受限條件下的優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，既滿足便攜設備質量的輕量化要求，又滿足受力的要求。