1、相控阵天线阵面的热设计魏忠良（南京电子技术研究所，江苏南京 210013）摘 要：介绍了有源相控阵雷达天线的热设计方案，给出了等量送风在结构上的实现方法、公式推导和计算方法，并且通过小面阵模拟试验证明该方法有效。关键词：相控阵天线；等量送风1 简介某有源相控阵雷达天线阵面共分一百多个小舱，安装有近六百个 TR 组件，天线阵面总发热量约 12kW，为了满足性能要求，阵面的温升有一定的要求，温度分布要求均匀，根据雷达的使用环境条件和战术要求，采用强迫风冷加孔板调节的冷却方案。天线阵面结构如图 1 所示，在阵面前后层之间的隔板上打通风孔，使之成为孔板，在天线箱体的下部安装送风机，将外部空气送入天线阵
2、面箱体后层的送风风道，空气通过孔板上的孔流到小舱内 T/R 组件的散热器上，通过出风风道的抽风机把热空气排出阵面。2 结构选取根据要求，天线阵面每个小舱内 TR 组件的工作温度应大致相同，即要保证每个小舱内的温升相同，这就要求流进每个小舱的风量应相等。通常强迫风冷的等量送风管路设计，可以通过调节通风风道截面或调节小舱入口处挡板上通风孔大小来达到等量送风。因此，可供选择的方法有：a.等通风道截面等孔口；b.等通风道截面变孔口；c.变通风道截面等孔口；d.变通风道截面变孔口。实际设计时，根据流体的能量方程式-柏努利方程：其中：Z平均每单位重量流体所具有的位能； Hw流体所受的阻力。由于位能 Z1、
3、Z 2 的影响较小，在此忽略。若不计 Hw，由于经过小舱分流，送风通道中 1 号舱入口处动压最大，n 号舱的入口动压最小，出风通道中 1 号舱的出口处动压最小，n 号舱的出口处动压最大。因而，n 号舱的进出口静压差 P n 必然大于 1 号舱的进出口静压差 P 1，所以等通风道截面等孔口的送风方案要通过调节送风和出风通道的风阻 Hw 来实现等量送风是难以实现的。由于雷达天线结构的限制，变通风道截面的方案也难以实现的。因此，采用等通风道截面变孔口的方案，并且在送风道加一些孔板来调节静压，以达到等量送风。3 公式推导由流体力学理论可知，并联网管的结点间阻力相等，从图 1 可以看出：流过每一个小舱流
4、体的流动路线相互成并联关系，如 AB D 和 ACD 即为并联，所以这两条路线的风阻相同，因而可以得出流动路线 ABDQ 和 ACDQ 的风阻相同。由此推出：假设每一个小舱的通风量相同，通过调节小舱入口处通风孔的大小来改变小舱进出口的风阻，使从送风口到出风口流经不同小舱的送风路线其风阻都相同，即: HABDQ H ACD Q =H AEFQ ，就可实现等量送风。取第 i 个小舱的送风路线的风阻 H 计算：HH 送 H 舱 i H 出 H 抽风其中：H 送 为送风管道入口到第 i 号小舱的风阻。 H 送 H 沿程 H 三通式中：V k 为送风管道中第 k 个小舱入口处的风速； 入 k 为送风管道
5、中在第 k-1 个和第 k 个小舱入口处之间的沿程阻力系数； Lk 为送风管道中第 k-1 个和第 k 个小舱入口处之间的距离； de 为送风管道的当量直径； 为流体的比重； k 为三通分流直通压力损失系数。 H 舱 i 为空气进出第 i 号小舱的风阻。现假设流经每一个小舱的空气流量相同。其中： i 为三通分流旁通压力损失系数。在每一个小舱入口处的孔板上开 n 个小孔，风从这些小孔进入小舱的过程就可以视为一个局部的并联关系，所以 H1i 可 化为以下形式：其中：Q 小舱 为小舱中的空气流量； n为小舱入口处孔板上的小孔个数； A 小孔 第 i 个小舱孔板上小孔的面积； H2i为小舱内风阻，由天
6、线阵小舱内的 TR 组件和散热器等具体结构决定； H3i为空气从挡板上的小孔扩散到小舱而产生的压力损失。由于同一个小舱入口处的小孔相互成并联关系，所以每个小舱的三通分流旁通阻力(H 1i)与空气通过孔板上小孔扩散到小舱而产生的压力损失(H 3i)之和，就等于其上一个小孔的三通流旁通阻力与小孔扩散而产生的压力损失之和，对每个小孔的通风量：H 出 为出风管道第 i 号小舱出口到出风管道出风口的风阻。 H 三通合流 为出风管路中第 i 号小舱出口到出风管道出风口的三通合流阻力之和。式中： 为出风管道中第 k 个小舱出口处的风速； 为出风管道中在第 k 个和第 k+1 个小舱出口处之间的沿程阻力系数；
7、 为出风管道中第 k 个和第 k+1 个小舱出口处之间的距离；由于结构上风机的位置安排在第 n 行的小舱中，故每条送风路线的风阻都要加上一个 H 抽风 。其中： 为流道突然缩小前后面积比值的函数，具体值由查表得到。至此，每一条流道风阻的计算公式推导完毕。4 计算分析4.1 分析由通风工程的理论可知：在整个通风管道中，流量和风阻可以形成一条流量-风阻曲线。而风道入口处的吹风机和出口处的抽风机分别向风道内送风和从风道内抽风，其风压与流量形成一条流量-风压曲线（风机特性曲线）。这两条曲线即为通风系统的特性曲线（见图 2），其交点就是系统的工作点 P。在整个通风系统中工作点 P 的含义就是：在该工作点
8、，吹风机和抽风机提供的通风系统的进出口静压差，刚好可以克服每一条管路的风阻，使风能够送到每一个小舱中，而所有管路的风量之和就等于系统工作点处的风量值。由以上分析可知：通过调节系统中每个小舱入口处孔板上小孔的尺寸，就可以使流经每个小舱的流动路线中的风阻都相同，则每一条流动路线中的风量就相同，即每个小舱中的通风量相同，实现了等量送风。具体设计计算说明：流经每一个小舱的风量由两个因素决定： 小舱进出口之间的静压。 小舱内风阻。在小舱内部结构确定以后，风阻即由小舱入口处孔板上的小孔的尺寸确定。即：Q F（A 小孔 ，P 静压 ），所以小孔的尺寸对系统工作点产生影响，而风阻又与风量有关，因而最终归结得到
9、 HiF （A 小孔 ,Q 小舱 ）。4.2 计算求解小孔面积的计算流程如图 3 所示。给定小孔面积的初值 A0，则 Hi=Fi(A0，Q 小舱 ), H 和 Q 可以形成一条风阻-流量曲线，求其与风机特性曲线交点处对应的流量，若为要求流量，则计算完毕，否则根据交点处的风阻 H 和要求的流量 Q，可以求出面积 Ak，再以 Ak 为给定值，利用 HiF i（A k，Q 小舱 ）的关系，反复选代直至求出满足要求的小孔面积 A。4.3 结构分析在具体结构中，送风总管内有垂直于送风方向的筋板，对天线阵面起支撑作用。在筋板上开有通风孔，这些筋板和通风孔对送风管路的静压起调整作用。气体流经这些筋板时，产生
10、静压损失，影响小舱入口处孔板上小孔的大小，静压损失计算公式为： V 为流体通过筋板时的流速； A1 为通道截面积 ；A2为孔的截面积；5 结论相控阵雷达特别是有源天线阵面的热设计是一项关键技术，通过计算分析和小面阵的模拟试验，可以解决阵面热设计的工程实际问题。满足阵面温度分布均匀性的要求，有多种实现途径，文中就等通风道截面变孔径的方案进行了理论分析计算并通过小面阵试验验证，希望能给同行在雷达热设计方面提供一定的参考。参考文献：1 赵敦殳, 李家樾, 肖伟. 电子设备结构设计原理M. 南京： 江苏科学技术出版社，1987.2 魏润柏. 通风工程空气流动理论.3邓善贵. 水平冷却电子计算机的高速通风系统及其管网设计.
