苏楠 王乐

摘 要： 雷达发射机以固态发射机为主，发射机运行的可靠性，一定程度上取决于冷却系统及热设计水平。本文简要阐述了雷达发射机的冷却方案，并对系统的热机理进行了研究。基于此，分别针对冷却系统及热参数的优化设计问题，提出一系列的建议。通过对系统调试及性能评估结果的观察，证实了优化设计方案在提高雷达发射机性能方面的价值。

关键词： 雷达发射机；冷却系统；热设计

前言：雷达发射机构成较为复杂，冷却系统为其主要部分。发射机的冷却系统中，各组件以及电源的运行，均会产生热量。为避免发射机热量过高，导致故障发生。应通过风量分配系统，以及冷却装置，将大部分热量排除。可见，发射机的冷却系统及热设计是否合理，对机械性能的影响较大。为提高发射机运行的稳定性及可靠性，有必要对其冷却及热设计参数进行优化。

1 雷达发射机的冷却方案及热分析

雷法发射机中的电子元件，以晶体管为主。晶体管对温度的敏感性较强，如热设计不良，导致雷达发射机的运行温度过高，晶体管极容易出现升温现象。受其影响，雷达发射机的电流等指标，均会出现异常。因此，可借助晶体管温度的稳定性，观察发射机的热设计水平[1]。如采用S代表稳定性指标，则有：

S=αIc/αIcbo

上述公式中，I代表电流，α代表常数。设计人员可采用该公式，实现对热参数的优化设计。雷达发射机冷却系统的常用冷却方案，以风冷及水冷两种为主。风冷包括常规风冷，与空调风冷兩种形式。与前者相比，后者的冷却效果更佳。因此，本课题决定采用空调风冷的方式，对雷达发射机的冷却系统进行优化设计。

2 雷达发射机的冷却及热设计优化方法

2.1 雷达发射机的冷却系统优化方法

2.1.1 关键技术

本课题所设计的雷达发射机冷却系统，关键技术以高校冷板技术、风量分配技术等技术为主。以高效冷板技术为例：雷达发射机中，冷板属于冷却系统的关键组件，与热交换器的功能类似[2]。当发射机运行后，冷板会随之启动，通过热交换的方式，使发射机各元件的温度得以降低。通常情况下，如冷却空气温度处于40℃以下，冷板均能够对热量加以处理，使发射机的性能得以增强。考虑到冷板的优势，设计人员可将其应用到冷却系统的优化设计中，提高冷却系统性能。

2.1.2 显控设计

雷达发射机冷却系统中，显控设计的要点，在于对预警系统及通信系统进行优化设计。设计方法如下：（1）预警系统：为确保雷达发射机运行监测人员，能够实时获取发射机的运行数据。设计人员应将供风以及送风温度，作为两项重点参数，纳入到面板显示参数的范围内，提高雷达发射机运行的稳定性。当系统出现故障后，面板同样需立即提示故障参数，同时，显示故障类型。确保雷达发射机维修人员，能够立即给予维修。（2）通信系统：本课题所设计的雷达发射机冷却系统，通信可借助CAN总线串行口实现。该设计方法能够有效满足系统的通信需求。

2.1.3 可靠性设计

为提高雷达发射机冷却系统的可靠性，本课题设计了“冷却系统故障树”。通过对实践经验的总结，将系统故障分为了制冷故障、风路故障，与控制系统故障三种类型。如采用λ代表失效率，则不同元件失效率的计算方式，应有所不同。以控制系统为例，该系统中的控保单元失效率计算公式如下：λ1=30×10-6/h。除此之外，风路故障中，管道的失效率，则应采用以下公式进行计算：λ2=10×10-6/h。单元二次冷却装置故障，应采用以下公式计算：

MTBF（二次冷却装置故障）=1/Σλ=1/（λ1+λ2+λ3+...+λn）

2.2 雷达发射机的热设计优化方法

2.2.1 热仿真理论

雷达发射机中，热量的传递，包括导热、对流以及辐射三种形式。但无论发射机以何种形式传递热量，热量的传递，均与能量守恒定律的描述相统一。对雷达发射机的热参数进行优化设计时，可采用以下仿真方程，对热传递的能量以及扩散量等参数进行计算：

αρφ/αt=div（ρUφ）=div（Γφgradφ）+Sφ

公式中，φ为常数，Γφ为热量的扩散指标，S代表热量的来源。在收集不同相关数据的基础上，将上述公式应用到热参数设计中，既可计算出热仿真数据。

2.2.2 热仿真求解

假设雷达发射机的组件功耗为0.20kW，则为降低组件运行的温度，雷达冷却系统需产生的风量应为：

Q1=P/Pcp△t

系统运行所需的总风量，应为不同组件的风量之和。考虑冷板的功能为影响热参数以及雷达发射机冷却效果的主要因素，设计人员应将FLOTHER软件，应用到冷板参数的计算过程中，对不同风速下冷板的阻力，及其对晶体管温度的影响进行观察。经计算发现，当冷板的风速为2.5m/s时，阻力应为151Pa，此时，热参数（最高）为74.5℃。随着冷板风速的增加，阻力显著增大，雷达发射机的温度，则显著下降。当风速达到6m/s时，冷却效果达到最好。

2.3 系统调试及性能评估

为提高系统的可应用性，本课题在雷达发射机冷却系统以及热参数优化设计完成后，对系统进行了调试，并对其性能进行了评估。通过对评估效果的观察发现：（1）系统测试期间，雷达发射机晶体管的温度，一直处于63.3℃左右。表明，当风速为6m/s时，晶体管温度可稳定在较低的水平。（2）系统测试期间，未发现雷达发射机出现任何故障。表明，采用上述方式设计，效果较好。

结论：

综上所述，本课题以空调风冷模式为基础所设计的雷达发射机冷却系统，在降低发射机运行温度方面，效果值得肯定。未来，建议有关领域通过对雷达发射机当前运行状态的观察，判断有无系统运行过热的问题。如系统晶体管温度存在异常，或发射机电流存在异常。应立即考虑对其热参数以及冷却系统进行优化设计。使雷达发射机的性能得以提升，使其使用寿命得以延长。

参考文献

[1]孙颋，周康.基于PXI总线的测控雷达发射机自动化测试系统设计[J].现代雷达，2017，39（06）：71-74+77.

[2]夏光滨，方勇，赵伟东.基于PIC单片机串行轮询通信的相控阵雷达发射机监控设计[J].科技创新导报，2016，13（17）：74-75.