【精选】雷达发射机热设计

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1、【高级论坛】 2005 中国电源散热器应用和技术发展研讨会16雷 达 发 射 机 热 设 计肖 竑（南京电子技术研究所 南京 210013）hong_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

2、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

3、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

4、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

5、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【高级论坛】 2005 中国电源散热器应用和技术发展研讨会17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

6、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、ICEPA

7、K 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），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

8、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/c

9、m2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

10、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

11、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【高级论坛】 2005 中国电源散热器应用和技术发展研讨会18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

12、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

13、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）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.

14、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

15、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。

16、3. 散热器选用的基本准则【高级论坛】 2005 中国电源散热器应用和技术发展研讨会19a.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地增加。当器件