一种气象相控阵雷达的制作方法

1.本发明属于雷达热处理技术领域，尤其涉及一种气象相控阵雷达。


背景技术：

2.随着相控阵雷达技术的快速发展与进步，相控阵雷达发射和接收通道数量越来越多，对探测距离需求也越来越远，使得雷达主机功耗随之增大，进而导致雷达主机的热损耗剧增，若没有良好的冷却技术，雷达主机内部各组件的温度可能达到甚至超过其正常使用温度，导致组件性能下降以致损坏。可靠发冷却技术已成为雷达主机高性能的重要环节。与此同时雷达主机既要在0~90
°
范围内进行俯仰运行，又要进行360
°
方位旋转运动，对冷却系统提出了更高的挑战。
3.目前相控阵天气雷达主要采用开放式风冷技术，即在雷达上加装一个较大天线罩，天线罩内安装有空调，用于降低天线罩内部的空气温度，雷达在天线罩内类似在空调房里工作，该系统的缺点是雷达散热系统的进出风口都在天线罩内，且与外界空气连通，使得雷达散热进口温度不能进行控制。另外散热系统层与雷达主机内部各组件被隔离，雷达主机内部线缆没有散热措施，在大电流工作时线缆自身发热较大，存在一定的隐患。各功能组件需要做密封措施，防止外界的湿度、盐雾、灰尘等因素对组件造成影响，从而影响组件性能，各组件环境适应性要求高。但该冷却系统设计相对简单，这也使得目前天线罩加空调冷却方式成为主流。
4.中国实用新型专利cn206892316u公开了一种雷达冷却系统，其内部中空的通风轴一端与空调连接，另一端与天线支臂连接；通风轴为阶梯型，分为第一、二阶梯通风轴；在第一阶梯通风轴的外侧设有轴肩；在第二阶梯通风轴外壁设有螺纹；轴承设置在第一阶梯通风轴外部，且位于轴肩与第一阶梯通风轴和第阶梯通风轴的衔接处；盖板通过铰链与天线支臂连接，盖板带有腔体；定位螺母一端顶着轴承；另一端插入盖板腔体，并形成迷宫密封；定位螺母上设有螺纹，该螺纹与第二阶梯通风轴外壁上的螺纹连接；轴承座一端的内部安装有轴承，外部设有挡板，轴承座的另一端与盖板连接；轴承盖一端固定安装在轴承座上，另一端与轴承外圈接触；空调支架一端连接俯仰箱，另一端连接空调。但该冷却系统仍存在一定的弊端，空调一体机进出风口均通过通风轴进出，容易导致冷风和热风短路。空调进出口均通过通风轴，导致选择轴承必须选用大规格轴承，大幅增加轴承选用成本。雷达主机内部没有强迫散热装置，仅靠空调冷却雷达主机内部空气，易导致热死区，使得该区域内组件散热效果差。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种气象相控阵雷达，以解决雷达中冷却系统中散热手段不合理的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：一种气象相控阵雷达包括雷达主机箱体以及设置在所述雷达主机箱体内的t/r射
频组件、数字组件和冷却系统，所述t/r射频组件设置在所述数字组件的一侧，所述t/r射频组件和数字组件之间设有一块导热板，所述冷却系统包括风冷系统和与之配合的水冷系统；所述风冷系统包括热交换器、设置在所述数字组件上的散热通道，所述热交换器的出风口连接冷空气通道，所述冷空气通道内安装有散热风机，所述散热通道一端与冷空气通道连通，所述散热通道的另一端与回流空气通道连通，所述回流空气通道通过热空气通道与所述热交换器连通；所述水冷系统包括设置在所述t/r射频组件内部散热流道、以及与所述散热流道连通的水管。
7.由此，本发明提供的复合型冷却系统对于热损耗大的t/r射频组件采用水冷方式，对于热损耗不大的数字组件采用风冷方式，通过风冷系统和水冷系统的有机协同、相互配合，既保证了雷达主机的性能正常，又使雷达主机具有较好的经济性。
8.设置在t/r射频组件和数字组件之间的导热板既起到支撑数字组件的作用，又可将数字组件的部分热量通过导热板传递给t/r射频组件，并通过t/r射频组件的散热流道与冷却液进行热交换将热量带走，强化了数字组件的散热效果，进一步降低数字组件芯片的温度。
9.雷达主机采用密封式箱体结构，各组件环境适应性要求低，可降低组件加工成本。可控制雷达主机内部环境温度，保证雷达主机内部环境温度稳定，不受外界环境温度变化的影响。通过采用本发明的冷却系统可使雷达免除天线罩，降低了雷达的制造成本。
10.进一步，所述水管包括主冷水管和主热水管，所述主冷水管与所述散热流道的进水口连通，主热水管与所述散热流道的出水口连通。
11.进一步，所述进水口和出水口的处均设有水冷通道，所述水冷通道与散热流道相连通，所述水冷通道通过第一隔板分隔为与进水口连通的第一水冷通道和与出水口连通的第二水冷通道，所述散热流道内设有第二隔板，所述第一隔板垂直于第二隔板设置，所述第一隔板的延伸端与第二隔板连接，所述第一隔板和第二隔板将所述散热流道分隔为多个散热区，所述散热元件设置在散热区内，且相邻两个所述散热区之间形成汇流区，所述汇流区连通前后两组散热流道，保证冷却液更均匀的进入下一组散热流道。
12.再进一步，所述散热元件为菱形柱结构，所述菱形柱结构叉排型式设置，且菱形柱面对冷却液流动方向为锐角，锐角更有利于冷却液扰动增加。
13.再进一步，所述散热元件为直槽道结构、直槽道波纹面结构、翅柱式结构、枣核状结构或绕流片。
14.更进一步，所述散热流道设置在t/r射频组件的芯片正下方，增大冷却液的扰动和换热面积，使冷却液与水冷腔体之间换热更充分。
15.更进一步，所述散热流道的深度沿着冷却介质的流向由浅到深变化，以解决串联流道因冷却液温度升高导致相邻t/r模块之间温度不一致的问题，所述散热流道的深度依据每组散热流道冷却t/r模块数量以及每个t/r模块最高温度的温差来确定，使不同散热流道上的各t/r模块性能具有较好的一致性。作为优选，取各t/r模块最高温度的温差小于1.5℃。
16.此外，所述水管的连接端为软管，软管可保证雷达主机进行俯仰运动0~90
°
时，水
管不受转动运动的影响。
17.本发明的复合型冷却系统对于密闭式雷达主机具有如下优势：a、对于热损耗不大的数字组件，采用水冷会造成设计余量过大，同时增加系统内部的水接头，增加系统内部漏水风险，降低雷达主机系统内部可靠性。
18.b、对于热损耗大的t/r射频组件，若要保证t/r射频组件在可靠的稳定范围内正常工作，t/r散热结构需增大，将导致雷达主机结构尺寸大幅增大，不利于雷达轻量化、小型化发展。
19.c、针对雷达主机内部各组件热损耗大小采用相应的冷却手段，水冷却部分即对热损耗大的t/r射频组件冷却，又对雷达主机内部空气进行冷却；风冷却部分则使雷达主机内部空气在雷达主机内部循环流动，冷却热损耗小的数字组件形成热空气，热空气载通过热交换器将热量传递给冷却水，变成冷空气后进入下一个循环。与此同时，水冷部分与风冷部分具有较好的协同作用，即在t/r射频组件和数字组件之间设有一块导热板，该导热板既具有支撑数字组件的作用，又可将数字组件的部分热量通过导热板传递给t/r射频组件，并通过t/r射频组件的散热流道与冷却液进行热交换将热量带走，如此进一步降低数字组件芯片的温度。该复合系统既保证各组件在相应的冷却方式下正常工作，又能使雷达主机内部环境温度稳定，同时也可对雷达主机内部线缆冷却，确保雷达主机内部空气温度和各组件温度稳定可控，有利于雷达主机小型化、轻量化发展，同时更具有经济效益。
20.本发明的一种气象相控阵雷达具有以下优点：1）、本发明实现了雷达主机与冷却系统的集成化结构，冷却系统具备控制雷达主机内部环境温度的能力，确保雷达主机在设定的温度下工作而不受外界环境温度变化影响。
21.2）、本发明可免除雷达使用天线罩，降低雷达制造成本。
22.3）、本发明雷达主机采用密封式箱体结构，其内部各功能组件对环境适应性要求降低，可免除各功能组件环境要求设计，降低表面处理、密封条件等设计要求，有效降低设计、制造成本。
23.4）、本发明采用复合式冷却方式，对于热耗大的射频组件采用液冷方式，对于热耗小的数字组件采用风冷方式，可有效降低产品的设计成本、制造成本。
24.5）、本发明水冷部分与风冷部分具有较好的协同作用，通过t/r射频组件和数字组件之间设置一块导热板，将数字组件的部分热量通过导热板传递给t/r射频组件，并通过t/r射频组件的散热流道与冷却液进行热交换将热量带走，进一步降低数字组件芯片的温度。
25.6）、本发明雷达主机内部散热系统与外部冷却系统采用快插水接头连接，水接头插拔过程中不会发生冷却液泄露，为雷达主机拆卸、维修等提供便利，避免常规水接头拆卸时冷却液泄漏等问题。
附图说明
26.图1为本发明的气象相控阵雷达结构示意图；图2为本发明的风冷系统空气流动示意图；图3为本发明的散热风机结构示意图；图4为本发明的冷却系统侧面结构示意图；
图5为本发明的水管结构示意图；图6为本发明的快速水接头结构示意图；图7为本发明的散热流道结构示意图；图8为图7位于a处的放大图；图9为本发明的雷达天线结构示意图。
27.图中标记说明：1、雷达天线主机进水口；2、雷达天线主机出水口；3、雷达主机箱体；4、第一支路水管；5、第二支路水管；6、热交换器；7、挡风板；8、t/r射频组件；9、天线主机隔板；10、热交换器进水管；11、热交换器出水管；12、天线主机风冷挡风板；13、主冷水管；14、主热水管；15、数字组件；16、散热通道；17、导热板；18、快速水接头；19、散热风机；20、冷空气通道；21、回流空气通道；22、热空气通道；23、雷达主机；24、雷达天线；41、水冷通道；111、第一水冷通道；112、第二水冷通道；113、导流板；41、水冷通道；42、散热流道；43、汇流区；44、进水口；45、出水口；46、散热元件；47、第一隔板；48、第二隔板。
具体实施方式
28.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
29.如图1所示，本实施例的一种气象相控阵雷达包括雷达主机箱体3以及设置在所述雷达主机箱体3内的t/r射频组件8、数字组件15和冷却系统，所述t/r射频组件8设置在所述数字组件15的一侧，如图4所示，所述t/r射频组件8和数字组件15之间设有一块导热板17，所述导热板17与t/r射频组件8和数字组件15接触面上涂有一层很薄的高导热界面材料，该界面材料具有效降低接触面的接触热阻，大幅增强数字组件热量向t/r射频组件传递的效率，进一步降低数字组件的温度。所述冷却系统包括风冷系统和与之配合的水冷系统。
30.如图1至图4所示，所述风冷系统包括热交换器6、设置在所述数字组件15上的散热通道16，所述热交换器6的出风口连接冷空气通道20，所述冷空气通道20内安装有散热风机19，所述散热通道16一端与冷空气通道20连通，所述散热通道16的另一端与回流空气通道21连通，所述回流空气通道21通过热空气通道22与所述热交换器6连通。
31.所述热交换器6主要冷却雷达主机内部空气，经过数字组件后，雷达主机内部空气变成热空气，热空气进入热交换器6后与之进行热量交换，被冷却成冷空气达到设定的温度。冷水经过热交换器后与之进行热量交换，被加热成热水，热水进入主热水管，最终流入外部换热设备被冷却成具有目标温度的冷水，同时将雷达主机产生的热量排放到大气中。
32.所述散热风机19具有调速功能，可根据雷达主机内部温度高低自动调节转速，改变热交换器的散热效率，达到自动控制雷达主机内部温度的目的。同时散热风机也为雷达主机内部空气流道提供动力，保证空气能够正常循环流动，且增强散热通道的散热效率，高效冷却雷达主机内部的各数字组件。
33.如图1和图2所示，所述冷空气通道20、回流空气通道21、热空气通道22由挡风板7、热交换器6和数字组件15分割而成，挡风板7和热交换器6将内部分成冷热空气通道22，连通冷热空气通道则是回流空气通道21，形成一个循环空气通道。
34.以单侧数字组件冷却为例简化空气通道设计，根据各数字组件的热耗大小，对数字组件布局进行优化设计。设计准则：将小热耗组件多个并列放置在冷空气通道和回流空
气通道之间。将大热耗的组件放置在回流空气通道和热空气通道之间。冷空气从冷空气通道随机进入小热耗数字组件冷却组件后进出回流通道并汇流，汇流后的空气经过大热耗数字组件冷却组件后进入热空气通道。所述小热耗组件冷却空气流量可表示为：q1、q2和q3，大热耗组件冷却空气流量可表示为：q4，其中q4=q1+q2+q3。该布局方式既能满足小热耗组件散热要求，又通过增加空气扰动提高空气与大热耗组件散热效率，保证大热耗组件散热要求。
35.具体地，冷空气从热交换器出风口6进入冷空气通道20，在散热风机19作用下向左右两则流动，经过左右两侧数字组件15的散热通道16，在散热通道16里进行热量交换，冷却数字组件15，被加热成热空气。热空气经回流空气通道21进入热空气通道22，然后再进入热交换器6并与之进行热量交换，被冷却成冷空气达到设定的温度，通过热交换器出风口6再次进入冷空气通道20，如此反复循环。
36.如图1、图5、图6和图7所示，所述水冷系统包括设置在所述t/r射频组件8内部散热流道42、以及与所述散热流道42连通的水管。所述散热流道42的深度由浅到深变化。所述水管包括主冷水管13和主热水管14，所述主冷水管13与所述散热流道42的进水口44连通，主热水管14与所述散热流道42的出水口45连通，所述水管的连接端均采用软管。水管在与外部冷却设备连接时采用软管连接，可保证雷达主机进行俯仰运动0~90
°
时，管路不受转动运动的影响。雷达主机安装在伺服平台上，伺服平台做360度旋转时带动雷达主机一起旋转，水管在伺服平台内部使用了一个汇流环装置，该装置可保证水管在旋转时不会发生泄漏。
37.具体地，冷水从主冷水管13经过第一支路水管4和快速水接头18进入t/r射频组件8，在t/r射频组件8内部散热流道进行热量交换，冷却t/r射频组件8和热交换器6被加热成热水，再经过快速水接头18和第二支路水管5进入主热水管14，最终流入外部换热设备被冷却成具有目标温度的冷水后再次进入雷达主机，如此反复循环。所述主冷水管13、主热水管14与第一支路水管4、第二支路水管5连接处均设有均流措施，保证冷却液能够均匀分配到每个t/r射频组件，保证整个雷达主机内部各t/r射频组件温度一致性良好，确保各组件芯片温度差在2℃内部，使t/r射频组件性能具有良好的一致性。支路水管通过快速水接头18与t/r射频组件8连通，快速水接头18采用盲插结构，能够实现自动快速插拔，同时在插拔过程中不会发生冷却液泄露，为t/r射频组件维护提供便利。所述雷达主机内部散热系统与外部冷却系统采用快插水接头连接，接头插拔过程中不会发生冷却液泄露，为雷达主机拆卸、维修等提供便利，避免常规水接头拆卸时冷却液泄漏等问题。
38.所述t/r射频组件主要冷却t/r组件，冷却液通过快速水接头进入t/r射频组件内部散热流道，在散热流道进行热量交换，冷却t/r射频组件，保证t/r射频组件能够在可靠的温度范围能工作。冷水经过t/r射频组件后与之进行热量交换，被加热成热水，热水进入主热水管，流入外部换热设备被冷却成具有目标温度的冷水，同时将雷达主机产生的热量排放到大气中。所述冷却液采用防冻液，确保雷达在-40℃仍能正常启动工作。
39.所述水冷系统与风冷系统的协同作用，数字组件15一部分热量被t/r射频组件8带走，进一步增强数字组件15的散热效率，数字组件15散热结构可有效减小，有利于雷达主机结构小型化、轻量化设计。所述数字组件15主要冷却数字类pcb和芯片，雷达主机内部冷空气经过数字组件的散热通道，在散热通道进行热量交换，冷却数字组件，保证数字组件能够在可靠的温度范围能工作。
40.如图1、图5和图9所示，所述主冷水管13和主热水管14安装在雷达主机23与雷达天线24的中间层，很好的将雷达主机内部与主水管进行分离，实现水电隔离，避免水管与支路水管焊接点因缺陷漏水的风险，所述水管均采用保温措施，有效防止冷却液在管路流动时与外界发生热交换。支路水管在穿过雷达主机背板时，采用穿板式法兰接头密封结构，即在雷达主机背板水管侧法兰上装配密封圈，穿过主机背板后用螺母紧固接头，密封圈与主机背板面紧密接触，达到与外界密封。既能实现气密性密封，又能做到电磁屏蔽的效果，同时还起到固定管路的作用。
41.如图7所示，所述散热流道42内设有多个散热元件46，所述散热元件46为菱形柱结构，所述菱形柱结构叉排型式设置，如图8所示，所述菱形柱面对冷却液流动方向为锐角，有利于冷却液扰动增加。所述散热流道42包括多个散热区，所述散热元件46设置在散热区内，且相邻两个所述散热区之间形成汇流区43。
42.具体地，如图7和图8所示，所述进水口44和出水口45的处均设有水冷通道41，所述在远离进水口44和出水口45的一侧设有散热流道42，所述水冷通道41与散热流道42相连通。所述水冷通道41通过第一隔板47分隔为与进水口44连通的第一水冷通道111和与出水口45连通的第二水冷通道112，所述第一水冷通道111和第二水冷通道112内均设有沿着液体流向布置的导流板113。所述散热流道42内设有第二隔板48，所述第一隔板47垂直于第二隔板48设置，所述第一隔板47的延伸端与第二隔板48连接，所述第一隔板47和第二隔板48将所述散热流道42分隔为多个散热区，所述散热元件46设置在散热区内，且相邻两个所述散热区之间形成汇流区43。所述散热元件46为菱形柱结构，所述菱形柱结构叉排型式设置，所述菱形柱面对冷却液流动方向为锐角，有利于冷却液扰动增加。
43.散热流道42布置在所述t/r射频组件中t/r模块热耗较大的芯片正下方，增大冷却液的扰动和换热面积，使冷却液与水冷腔体之间换热更充分。所述汇流区43连通前后两组散热流道42，保证冷却液更均匀的进入下一组散热流道42。四组所述散热流道42沿冷却液流道方向，所述散热流道42的深度由浅到深变化，解决串联流道因冷却液温度升高导致相邻t/r模块之间温度不一致的问题。所述散热流道42长度的确定，依据每组散热流道42冷却t/r模块数量以及每个t/r模块最高温度的温差来确定，使各t/r模块性能具有较好的一致性，作为优选本实施例取各t/r模块最高温度的温差小于1.5℃。所述散热流道12的深度依据各t/r模块最高温度的温差来确定，使不同散热流道上的各t/r模块性能具有较好的一致性，作为优选本发明取各t/r模块最高温度的温差小于1.5℃。
44.本发明雷达主机内部t/r射频组件和数字组件的散热通道、导热板、挡风板及热交换器均采用铝合金材质。所述t/r射频和数字组件散热通道结构翅片采用最经济的直槽道平面结构方式，但散热通道结构采用直槽道波纹面结构、翅柱式结构、枣核状结构方式均可实现本发明。本发明所涉及的结构不仅用于气象相控阵雷达，同样适用于其他领域雷达或需要进行俯仰旋转运动且需要进行冷却的设备，具有较好的通用性。
45.本发明采用复合式冷却方式，针对雷达主机各组件的热耗与性能要求，选择合理的冷却方式，并通过合理的布局进一步优化组件散热效率，同时采用水冷与风冷协同冷却数字组件，有效降低产品的设计成本、制造成本。
46.本发明可实现雷达主机内部环境温度在设定的范围内变化，且不受外界环境温度变化影响，确保雷达主机内部各组件一直在稳定的环境温度下工作，雷达性能一致性较好。
47.本发明所要解决的技术问题是，提供一种气象相控阵雷达冷却系统，在雷达进行俯仰运动0~90
°
和旋转运动0~360
°
工作时，仍均有可靠散热能力，雷达主机性能完全不受雷达运动的影响。
48.本发明所述雷达主机主水管安装在雷达主机与雷达天线的中间层，很好的将雷达主机内部与主水管进行分离，实现水电隔离，避免主水管与支路水管焊接点因缺陷漏水的风险。
49.本发明支路水管在穿过雷达主机背板时，采用穿板式法兰接头密封结构，即在雷达主机背板主水管侧法兰上装配密封圈，穿过主机背板后用螺母紧固接头，密封圈与主机背板面紧密接触。既能实现气密性密封，又能做到电磁屏蔽的效果，同时还起到固定管路的作用。
50.本发明空气冷却通道优化设计，采用小热耗数字组件并联再与大热耗数字组件串联的方案。具体实施：将小热耗组件多个并列放置在冷空气通道和回流空气通道之间；将大热耗的组件放置在回流空气通道和热空气通道之间。冷空气从冷空气通道随机进入小热耗数字组件冷却组件后进出回流通道并汇流，汇流后的空气经过大热耗数字组件冷却组件后进入热空气通道。
51.本发明水冷和风冷方案同时冷却雷达主机，两套冷却方案相互独立互不干涉，为雷达主机提供可靠的冷却方式，使雷达主机结构更紧凑，降低制造成本。
52.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。