相控阵雷达用阵面电源的结构设计

2016-01-08邵奎武,王长瑞,肖竑

机械与电子 2015年4期

关键词：功率密度结构设计

相控阵雷达用阵面电源的结构设计

邵奎武，王长瑞，肖竑

(南京电子技术研究所，江苏南京 210039)

Structure Design of a Array Power Supply for Phased-array Radar

SHAO Kuiwu，WANG Changrui，XIAO Hong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China)

摘要：针对某相控阵雷达用阵面电源，提出了全新设计思路，先进行概念设计，再利用ANSYS、FloEFD有限元分析软件进行力学和热仿真验证，在此基础上对阵面电源进行优化设计。结果表明，阵面电源结构减重28%，结构设计和热设计满足要求。采用此方法可有效降低设计时间及差错，实现电源的快速化、轻量化设计。

关键词：阵面电源；结构设计；热仿真；功率密度

中图分类号：TN83

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)04-0018-05

收稿日期：2015-01-21

作者简介：邵奎武 (1974-)，男，黑龙江依兰人，高级工程师，主要从事雷达发射和电源结构设计；王长瑞 (1983-)，男，山东菏泽人，工程师，主要从事雷达发射和电源结构设计；肖竑 (1963-)，女，陕西西安人，研究员级高级工程师，主要从事雷达发射机结构、雷达冷却系统的研究与设计。

Abstract：In this paper，the new design idea for array power supply of phased-array radar was proposed.Firstly，conceptual structure was designed. Secondly，dynamic simulation and thermal simulation were used to verify the conceptual design results by ANSYS and FloEFD finite elements analysis software，and on this basis，optimization design of array power supply was made. The result indicates that 28% weight loss of structure for array power supply is achieved. The structure and thermal design of array power supply meet the demands. The design time and error are reduced by this method. The rapid product design and light weight design of array power supply are realized.

Key words：array power supply；structure design；thermal simulation；power density

0引言

相控阵雷达由于具有波束指向灵活，扫描速度快，抗干扰能力强，稳定性高，可采用多种工作方式进行多功能、多目标跟踪等机械扫描雷达不可比拟的优点，使得相控阵技术得到普遍重视和飞速发展，相控阵雷达也成为未来雷达的重要发展方向。相控阵雷达用阵面电源与传统的集中式大功率、高电压形式不同，一般采用低电压、大电流的高功率密度形式，因此，主要选用重量轻、体积小、整机效率高、稳定度高的开关电源。

阵面电源需要在有限的空间内进行合理布局，并需要在恶劣的工作环境下保持工作稳定性，使得合理的结构设计尤为重要。针对某相控阵雷达用阵面电源，结合其电性能特点，进行电源结构优化设计，并运用有限元分析方法验证设计的可靠性和可行性。

1阵面电源的工作原理

此阵面电源主要由EMI滤波器、整流滤波及防冲击电路、ZVS全桥变换器、高频变压器、输出全波整流及LC滤波、驱动电路、控制保护及软件监控几个部分组成。其原理如图1所示。先将交流电压经整流滤波，全桥DC-AC变换，开关变压器降压、高频整流滤波后，输出直流电压，通过汇流排并联，供给阵面功放组件，同时将电压、电流信号送给电源内部的监控软件，再通过CAN总线传送给上位机。

电源结构作为电源的重要组成部分，不仅可以对电源内部器件起到固定、支撑和保护作用，更是电源高热耗器件有效散热和正常工作的保证。合理的结构设计有利于实现电源控制、检测、维修和更换灵活性，提高电源可靠性，为电源的低成本、轻量化奠定基础。

图1　阵面电源原理

2概念设计

随着相控阵技术的发展，阵面电源尺寸越来越小，结构形式越来越复杂，热流密度不断提高，而且要求设计周期短。因此，在进行此阵面电源设计时，先进行概念设计，之后进行设计合理性验证，最后在此基础上进行结构和性能的改进和优化，可有效降低设计时间和因设计造成的差错，实现快速设计。

在进行概念设计时，主要关注电源的外形尺寸、内部器件布局及高热耗器件的散热等关键问题。总体设计要求电源外形尺寸为352 mm×230 mm×87 mm，元器件安装尺寸紧张，而采用风冷形式会增加电源尺寸，并且由于该电源的热耗大(约320 W)，因此阵面电源采用散热效果更好的液冷冷却。

电源机壳主要由冷板、面板、背板和上下盖板组成。冷板是电源采用液冷冷却形式最关键部件，按照结构散热一体化设计理念，其不仅是元器件的固定和支撑端，也是元器件的散热器。将高发热器件分布在冷板两侧安装，其他小热耗功能部分采用模块化处理并利用三维布局形式排布，利用安装架或者凸台进行传导散热，有效利用有限的空间以满足小型化和轻量化要求。由于高散热器件多，布局分散，为便于加工和合理散热，采用常规矩形流道形式。流道尺寸对散热效果影响大(如表1所示)，尺寸过小会使得流阻增加，流速增加，流量降低，散热能力降低；尺寸过大，流阻降低，流量增加，但流速降低，进而影响换热效率，同样会使散热能力降低。因此，综合各因素，此阵面电源采用截面尺寸为3 mm×7 mm的矩形流道形式。冷板与发热器件结合面要保证较高的表面光洁度，从而减小接触热阻，提高传热效果。

表1阵面电源流道相关参数计算结果

流量/(L·h-1)流道尺寸(高×宽)/mm温度/℃流速/(m·s-1)流阻/Bar803×4201.760.49803×5201.200.31803×7200.910.23803×9200.740.20

目前，对于矩形流道的焊接方式主要有钎焊、激光焊、电子束焊和搅拌摩擦焊等。由于钎焊成本低、效率高、易于实现、变形小，故蛇形板与冷板采用氮气保护铝钎焊形式焊接。阵面电源工作环境恶劣，其结构材料最好选择热导率高、三防性能(防潮、防霉、防盐雾)好的防锈铝，因此冷板和蛇形板分别采用钎焊性能好的6063铝合金和3A21铝合金。其他结构件为5A05铝合金。面板、背板和盖板等采用螺纹连接形式与冷板连接，便于拆卸和安装。在满足阵面电源整体布局和电性能要求的情况下，对电源结构件进行初步减重处理，设计的电源结构如图2所示。

图2　阵面电源概念设计(去掉上盖板)

3仿真验证

为了验证设计的合理性和正确性，采用有限元软件对前述设计电源进行力学分析。为简化计算，对于电源冷板上通过螺钉固定安装的电子元器件等效为集中质量，在ANSYS模块中作为质量点进行处理。在进行网格划分时，网格越多计算会越精确，但是计算时间也会越长。为兼顾计算的准确性和效率，采用ANSYS Workbench模块的网格自动划分功能进行网格划分，划分后有限元模型由153 695个节点和56 004个单元组成。此阵面电源主要应用于地面相控阵雷达，但需要车辆的运输，因此，需要考虑车载环境下的力学行为。

模态分析用于确定电源的固有频率和振型，为防止设计电源与安装载体工作频率接近而产生共振和噪声提供参考，同时为设计改进提供理论依据和后续动力学仿真提供所需频响特性。根据振动理论，对振动响应影响比较大的主要是低阶模态。因此，对电源进行模态分析，得到前6阶频率如表2所示，可以看出阵面电源的固有频率在195 Hz以上。据参考文献指出一般车载激励振动频率范围在0～125 Hz，可知电源的固有频率远大于使用和运输时受到的激励频率，因此，满足设计要求。

表2阵面电源前6阶固有频率

模态固有频率/Hz1197.622204.83312.414319.485474.56494.38

随机振动也是力学仿真的主要组成，同时也是产品在使用和运输过程常面临的动力学问题。发生随机振动时结构设计不合理会造成电子设备中结构件的疲劳和损坏、运动部件的接触不良、紧固件的松动等。设计的阵面电源随机振动数值模拟分析结果如表3所示。结果表明，最大变形位于电源上盖板中心，为0.23 mm，如图3所示；应力较大区域主要集中在上下盖板与其他结构件的配合部位附近及背板固定导向销的位置，最大应力出现在背板固定导向销的开孔附近，为8.2 MPa，如图4所示，远远低于材料的屈服极限(相应结构件材料为5A05铝合金，MPa)。根据式(1)可计算其安全裕度远大于0，满足强度设计要求。

Ms=max-1

(1)

Ms为安全裕度；为材料屈服强度；σmax为结构件受外界载荷作用时最大应力；f为安全系数，一般取为f=1.5。

表3阵面电源力学分析结果

随机振动冲击最大最大安全应力变形裕度8.2MPa0.23mm8.3最大最大安全应力变形裕度7.4MPa0.21mm9.4

冲击一般是指设备在非常短暂的时间内受到瞬态激励产生的加速度、速度和位移的瞬间变化。军用电子设备常有防冲击设计要求，多采用半正弦冲击形式进行仿真验证，此电源冲击响应分析结果如表3和图3~图6所示。结果表明，冲击响应最大时域变形出现在Y方向，为0.21mm，同样位于电源上盖板；最大应力出现在Y方向，为7.4MPa，位于上盖板与面板配合处，冲击响应下的安全裕度也远大于0，满足强度要求。

图3　随机振动下Y向3-σ应变云图

图4　随机振动下3-σ应力云图

图5　Y向冲击下变形云图

电源工作时温度过高会对电子元器件的可靠性与使用寿命造成严重影响，会导致电子元器件的过早失效，从而造成电源的失效。因此合理有效的散热设计至关重要。为了验证前述设计，选择最为恶劣的工作环境参数对电源进行了温度场仿真，即供液温度为45 ℃，供液流量为80L/h。使用FloEFD软件进行仿真计算结果如图7所示。由仿真结果可知，电源表面最高温度为61.7 ℃，壳体冷板表面温度为55 ℃，所有器件都能够满足热设计要求，验证了前述冷板设计的合理性。

图6　Y向冲击下应力云图

图7　阵面电压热仿真

4优化设计

4.1重量优化

相控阵雷达向着高机动、轻量化和便于运输方向发展，对阵面电源的重量提出严格要求。从前面对概念设计模型的有限元分析结果可以看出，安全裕度都在8以上，可在此设计基础上对结构件进行进一步减重处理。对不受力和远离流道的部位采用铣削凹槽处理，对于有限元分析时应力大的部位进行加厚、加筋处理。相对于概念设计的电源结构件，优化减重后效果如表4所示，整体减重达28%。对减重后电源进行力学分析(表5)发现，最大应力不大于152MPa，安全裕度仍大于5，仍满足强度要求。

表4优化前后重量对比结果

表5优化后阵面电源力学分析结果

随机振动冲击最大最大安全应力变形裕度9.7MPa0.28mm6.9最大最大安全应力变形裕度11.2MPa0.31mm5.8

4.2水接头优化设计

之前类似电源水接头均采用管螺纹形式与冷板连接，由于水接头(不锈钢)与冷板(铝合金)所采用材料的强度不同，会造成装配时冷板的变形，使得一些冷板材料变形后在配合处产生缝隙造成漏液现象发生；还有一部分冷板材料变形后填充到水接头螺纹处，而造成水接头和冷板的咬合和卡死，使得水接头无法更换和再次使用，造成电源冷板报废。新电源水接头采用法兰式设计，避免了之前漏液问题和变形咬合问题，非常便于拆卸和更换，密封性好，而且实验阶段用到接头在后续装机时可继续使用，有效避免了浪费，降低了成本。水接头优化前后装配对比如图8所示。

图8　阵面电源用水接头安装示意

4.3密封

GJB150A中指出，军工产品在批量生产之前都要进行严格的环境模拟试验验收，而交变湿热试验作为其中重要的一项，主要是模拟自然界气候(温度、湿度)变化对电子设备的影响，用以确定武器装备在此恶劣环境下的适应性。传统电源机壳设计时，配合面基本都是硬配合，缝隙较多，在交变湿热试验时电源内部会出现凝露现象，从而造成试验难以通过。针对此问题，新设计时首先将结构件配合的缝隙进行涂导电胶密封处理，然后在配合面粘贴导电橡胶条，并在最后进行元器件安装时，要求将元器件与安装面的配合缝隙也进行涂胶处理。此方法可有效消除缝隙，为后续交变湿热试验提供了有利条件，缝隙的消除也有利于电磁屏蔽性能的提高。

5结束语

采用概念设计、仿真验证、结构优化的设计思路,进行阵面电源结构设计，优化结构形式和散热形式，降低电源结构重量达28%，成功设计了满足结构强度和散热要求的相控阵雷达用阵面电源。该方法可有效缩短研制周期，降低设计差错和研发成本，取得良好效果。

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