某大功率短波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0   引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各種通信手段不斷完善，作為傳統(tǒng)重要通信模式的大功率短波通信雖然受到了挑戰(zhàn)，但也因其特有的優(yōu)勢：成本較低，構(gòu)建、組網(wǎng)工作具備快捷性、靈活性，使其應(yīng)用渠道不斷得到拓寬。即便大功率短波通信發(fā)射機(jī)處于惡劣的通信環(huán)境下，其數(shù)據(jù)信息的傳輸以及通信效率都可以得到強(qiáng)有力的保障。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是某大功率短波發(fā)射機(jī)研制過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對保證大功率短波發(fā)射機(jī)優(yōu)良性能和可靠性起著重要作用。

1   結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

依據(jù)某大功率短波發(fā)射機(jī)實(shí)際使用情況，嚴(yán)格按照所引用的各類標(biāo)準(zhǔn)及要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，以提高設(shè)備的可靠性、互換性，降低成本、縮短研制周期；發(fā)射機(jī)各單元采用19 英寸標(biāo)準(zhǔn)上架插箱，通過導(dǎo)軌安裝在機(jī)柜上，機(jī)柜安裝大承重腳輪；運(yùn)用人- 機(jī)- 環(huán)境系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)原理，對設(shè)備進(jìn)行了全面考慮、合理布置，保證設(shè)備人機(jī)交互良好，使某大功率短波發(fā)射機(jī)工作環(huán)境舒適，操作維修方便，安全可靠；應(yīng)用、吸取現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和成熟技術(shù)，優(yōu)先采用經(jīng)實(shí)踐證明的可靠的設(shè)計(jì)及工藝。設(shè)備包裝滿足鐵路、公路、空運(yùn)和水路運(yùn)輸要求。

為滿足發(fā)射機(jī)45℃ 環(huán)境下正常工作的要求，進(jìn)行了合理的熱設(shè)計(jì)，其中功放單元采用高效液冷散熱技術(shù)，液冷單元需具有多點(diǎn)檢測，監(jiān)測水壓、水泵電流等手段，以保證液冷單元的可靠性；液冷單元能方便更換液體和組成零部件，具有良好的可維修性，且各組成零部件需具有良好的防腐蝕性能；

2   整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某大功率短波發(fā)射機(jī)主機(jī)由3 個(gè)機(jī)柜設(shè)備并聯(lián)組合而成，高度全部為32U，整齊劃一，具有互換性，降低了成本。尤其是在減小設(shè)備體積，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，增強(qiáng)設(shè)備防護(hù)，靈活安裝應(yīng)用等方面進(jìn)行了改進(jìn)。主機(jī)各單元設(shè)備包括功放單元、發(fā)射機(jī)控制單元和激勵(lì)單元等單元?？偼庑纬叽鐬椋簩挕?高× 深：1 810 mm×1 600 mm×900 mm。外形尺寸如圖1 所示。

圖1 某大功率短波發(fā)射機(jī)外形尺寸圖

設(shè)備結(jié)構(gòu)運(yùn)用成熟技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合采用目前國內(nèi)外先進(jìn)的、經(jīng)過實(shí)踐證明的新材料、新工藝，便于生產(chǎn)和維修。整體外觀設(shè)計(jì)簡潔明快，具有現(xiàn)代感和良好的人機(jī)關(guān)系。

主機(jī)中的各單元部件采用模塊化設(shè)計(jì)，符合國標(biāo)和軍標(biāo)對尺寸系列要求，通過導(dǎo)軌安裝在機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜后部對應(yīng)單元的位置布置有跟線架，左后邊設(shè)計(jì)有接地導(dǎo)條。功放機(jī)柜預(yù)留了1 個(gè)2U 和2 個(gè)1U 空間，綜合機(jī)柜預(yù)留了4 個(gè)1U 空間，充分考慮了互換性和將來的功能擴(kuò)展，便于生產(chǎn)和維修。

3   機(jī)柜機(jī)箱設(shè)計(jì)

機(jī)柜機(jī)箱是安裝和保護(hù)電子設(shè)備內(nèi)各種元器件與機(jī)械零部件的重要結(jié)構(gòu)，對于排除各種復(fù)雜環(huán)境對設(shè)備的干擾，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠地工作，提高設(shè)備的使用效率以及增加設(shè)備安裝、維護(hù)的方便等方面起著重要作用。

機(jī)柜選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，折彎焊接成型。前后門開有密排通風(fēng)孔保證良好通風(fēng)散熱。內(nèi)設(shè)安裝板與走線架安裝板，安裝板上下焊接連接上頂與下底。下底用厚鋼板加固適用于腳輪的安裝，上頂焊接厚板材加固4 處吊環(huán)處，保證抗拉性，吊起時(shí)不變形。導(dǎo)軌均采用優(yōu)質(zhì)高承載性三節(jié)導(dǎo)軌，安裝牢靠，移動(dòng)順暢。機(jī)柜的設(shè)計(jì)能保證不同的插箱可以根據(jù)外觀、接線、電性能的需要進(jìn)行配置和互換。

機(jī)箱均采用19 英寸上架插箱形式，滿足所引用標(biāo)準(zhǔn)的要求，安裝導(dǎo)軌后裝入機(jī)柜。設(shè)計(jì)機(jī)箱時(shí)，在給定的使用環(huán)境中，綜合考慮設(shè)備內(nèi)部的占用空間、熱影響和電磁干擾，使機(jī)箱具有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保機(jī)箱內(nèi)部各模塊、器件、電路板的安裝連接可靠，保證設(shè)備電性能的穩(wěn)定。

4   熱設(shè)計(jì)

某大功率短波發(fā)射機(jī)各單元滿足環(huán)境溫度：工作溫度：-15℃ ～ 45℃，貯存溫度：-40℃ ～ 65℃。發(fā)射機(jī)各組成單元依據(jù)散熱功耗的不同，采用不同的散熱方式，其中功放單元的功耗和熱流密度最大，功放單元設(shè)計(jì)方案是8 個(gè)3 kW 功放單元合成出某大功率，熱設(shè)計(jì)采用液冷+ 強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的方式。激勵(lì)器和發(fā)射機(jī)控制單元以及其他各單元均采用通風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式。

功放單元采用高效液冷散熱技術(shù)，在總體積和散熱能力方面有顯著的優(yōu)勢。液冷工作過程主要是冷卻液經(jīng)泵，按照一定壓力及流量進(jìn)入冷板，在冷板中與發(fā)熱器件進(jìn)行換熱，冷卻液溫度上升帶走熱量，升溫后的冷卻液進(jìn)入換熱器，與空氣或者其他冷源換熱，冷卻液溫度下降，進(jìn)入水箱，經(jīng)過泵的作用再次進(jìn)入冷板，形成一個(gè)完整的循環(huán)。在冷板內(nèi)部設(shè)計(jì)有流道，發(fā)熱器件就安裝在冷板上。功放單元冷板材料選用鋁，冷卻液為65#冷卻液（65% 的乙二醇水溶液），入口溫度為45℃，入口速度2.314 m/s。

功放單元冷板流道曲線及發(fā)熱源分布如圖2 所示，總發(fā)熱耗功率Q 為3 900 W。單個(gè)功放板的發(fā)熱功率為937.5 W，4 個(gè)功放板的發(fā)熱功耗占整個(gè)功放單元功耗的96.5% 左右。因此在實(shí)際工作中，功放板是整個(gè)功放單元發(fā)熱最嚴(yán)重的部分。

圖2 功放單元冷板流道曲線及發(fā)熱源分布圖

5   散熱仿真

為驗(yàn)證散熱效果，使用ANSYS 軟件對功放單元進(jìn)行熱仿真分析。仿真中設(shè)置環(huán)境溫度為45℃，仿真結(jié)果如圖3、圖4。其中圖3 為功放模塊、冷板和換熱器溫度分布云圖，圖4 為流道流速矢量圖。從中可知流道流速正常，功放模塊的溫度最高為71.5℃，小于功放管允許的最高溫度。因此，功放單元熱設(shè)計(jì)滿足要求。

圖3 功放單元溫度分布云圖

發(fā)射機(jī)控制單元采用通風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，主要發(fā)熱模塊全部靠左邊放置，風(fēng)道就安排在左邊一側(cè)。圖5 為發(fā)射機(jī)控制單元溫度分布云圖，從中可知電源模塊芯片的溫度最高為72.4℃，小于電源模塊允許的最高溫度。因此，發(fā)射機(jī)控制單元熱設(shè)計(jì)滿足要求。

圖4 流道流速矢量圖

圖5 發(fā)射機(jī)控制單元溫度分布云圖

6   結(jié)束語

為適應(yīng)現(xiàn)代高科技電子戰(zhàn)不斷演變的需要，某大功率短波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需解決的課題會(huì)越來越多，它是一個(gè)完整的自上而下的設(shè)計(jì)過程，先明確總體方案（主題），再構(gòu)思具體內(nèi)容，邏輯遞減又緊密關(guān)聯(lián)，實(shí)踐證明這是一種非常高效的設(shè)計(jì)方法。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）