试论雷达电子设备结构的热设计

张海涛　孟春林

摘要：科学有效的热设计是电子设备安全可靠运行的重要保障，文章对雷达电子设备结构的热设计进行了研究。

关键词：雷达；电子设备；结构；热设计

为了提高雷达电子设备的工作性能，保证电子设备可以安全稳定的运行，需要运用科学有效的热设计方法。而在实际设计的过程中，一般需要紧密结合电子设备的结构特点，选择一种最佳的热设计方案，从而为雷达电子设备的安全稳定运行提供保障。

1 热设计的基本原则

在进行电子设备热设计的过程中，其最主要的设计目标是在外环境与热源之间形成一条热阻通道，从而保证热量可以通过这样的通道，顺利的排放出去，通过这样一系列工作也更好的保证了电子设备的安全稳定运行。通过对元器件失效率的规律指数和温度因素进行详细的分析，发现失效率与温度之间呈现一种正比关系。因此，在进行热设计的过程中，一定要对元器件的热特性进行一个充分的了解，要根据电子设备的可控制性，预计出所提供电应力的管理模型、失效率、温度等，对可控性预计进行研究和分析，在这个基础之上，再对元器件的质量等级和电子设备实际的工作环境等因素进行明确，对电子设备的可靠性和元器件的工作效率进行分析和预计。

而热设计的冷却功能，一定要满足预期工作中对于环境的各种要求，例如，海上舰船环境、机载空中环境、地面空气环境等等。热设计的控制系统在设计的过程中，还需要满足电子设备的实际限制要求，例如，重量、体积以及噪音等等。

在进行电子设备热设计的过程中，一般情况下，应该与电路的设计同时进行，结合相应的维修设计原理，同时，还需要对相关的安全因素和经济因素进行考虑。

2 案例分析

本次设计主要解决以下几个方面的问题：从热设计的角度上来看，组合的结构布局是否合理；风扇的选择是否合理；发布了总体的设计方案之后，能否为下一个工程设计提供灵感。

2.1 通过CAD软件得到相应的几何数据

通过对雷达设计方案的三维模型进行分析，通过文件格式对相关的接口进行转换，还可以把它的外壳直接的转换到其他的软件中。通过这样的转换方式，可以对模型进行快速的输入，同时，也更加有效的保证了几何尺寸的精准性[1]。

2.2 通过已知参数建立热模型

结合软件中的孔特征就可以对进风口和出风口的实际尺寸和位置进行确定，在这个过程中，需要重视的问题是，在进风口中一般可以直接的增加滤网，对于通风量也具有一定程度的影响。

在热模型的设计中，电路板的设置一般可以设置成多层板的形式，绝缘层和传导层的材料一般可以进行分别的设置，而传导层在绝缘层中所占的厚度和比例一般可以进行精准的计算和设置。热传导的系数将如下：

kin=A100×kcnd+1-A100×kdie

1kthro=A100kcnd+1-A100kdie

dr=dcnd×volcnd+ddie×voldievolr

volr=voldie+volcnd

其中，第三、四个公式决定了传导层在电路板模型中的比例，电路板的内传导系数为kin和电路板的传导系数Kthro通过第一个、二个公式可获得。

没有对激励器电路板的元器件信号进行确定，可以将其设定为简单的热源，而这种激励组合散热功能一般消耗可假设为400W，每一个电路板中设有6个模块，每一模块的热功耗约为3W，元器件的散热功能约为2W，通过电路板进行均匀的散出。

从目前热源的实际分布的状况来看，频综和热源的热功率并不是很大，而这两个模块相对于总的散热功率来说也相对比较小，因此，也更加有利于简化热源模型，进而减少计算时间和网络数。

3 热设计的基本步骤

3.1 了解参数

在进行实际的热设计之前，需要对元器件的相关参数进行一定的了解，例如耗散功率、使用功率、额定功率以及内阻等，同时，还需要满足工作环境的温度要求和可靠性的结温要求等，还需要尽量的选择一些耐高温性能良好的元器件。

3.2 方式选择

对于一些密度比较高的小型的元器件来说，由于受到其经济成本以及体积等因素的影响，应用自然风冷作散热方式的注意事项有以下两个方面：

首先，通过辐射的方式，把一些热量从元器件的外壳中逐渐的辐射到周围物体的表面上，一般都是通过热辐射和自然对流进行散热工作，因此，一定要保证元器件周围环境的通风良好，这样才更加方便于热量的散发，条件允许的情况下，还可以在元器件的周围设置一些散热孔，方便于空气的流通。在这个过程中，散热量主要是受到通风孔的面积和机箱的表面积的影响。

對于那些没有办法通过自然风来进行散热的元器件，一般可以通过散热片的方式，来降低元器件的温度。自然的散热下，周围环境的热阻与外壳都会远远的大于外壳间的热阻和模块内部元器件内的热阻，元器件一般情况下都是通过暴露外壳向外发散热量。

增加散热片，在一定的程度上来讲，也就是增加敷设和对流的表面积，对于元器件的散热效果进行很好的改善。散热片一般都是采用一些性能良好的铝、铜等材质，散热面积越大，其环境温差也就越大，也就具有更好的热辐射能力。

在很多尺寸和体积都被限定了的结构中，风扇的风速越大，实际提供的气流速度也就越大，但是，在实际运行的过程中，噪音也会比较大，因此，还需要平衡噪音和散热效果之间的关系。风口形状的影响也不容被忽视，如果风口的面积比较小，虽然能够保证机箱具有很好的外观，灰尘也不容易进入，但是，在实际通风的过程中，经常会遇到很大的热阻，对于其散热性也会产生不良的影响。同时，在机箱中装有很多的隔板，也十分不利于通风，如果隔板的面积比较大，一般情况下，需要在元器件的周围开设一些通风孔，这样才能保证通风正常[2]。

其次，就是自然对流的方式，把热量从暴露的表面和外壳模块中传输到空气中，这个时候热量就会由元器件的沟道处进行散发，散发到周围的环境中去。

3.3 材料的选择

电子设备结构常用的材料是铝，很多的热轧和冷轧通过弯曲、冲压等手段，可以制作成铸铝铸造成型以及机箱零件焊接成型。

铸铝箱体在制作的过程中，一般都是运用自然冷却的方式来进行，机箱的实际面积直接的决定了其散热量。如果对于机箱的升温范围进行了一定的限制，一般需要对机箱的表面积和散发的热量也要进行一些限定。一旦超出了限定的范围，就可以采用强制风冷或者是通風机箱的方式。

3.4 元器件耐高温布置

在进行元器件布局的过程中，通常需要遵循以下几个基本原则：首先，可以把一些热阻大、发热高的元器件放置在腔体的下方，不可以放在印制板的四周边缘或者是角落处，还需要保证流经散热器的是冷风，风量一定要足够；其次，热阻大、发热高的元器件还需要尽量的隔离或者避开其他的热源，以免对辐射造成影响；最后，还需要保证热量的均匀分布，对于一些发热量较高的元器件，尽量避免集中的布置[3]。

4 机箱仿真结果分析

机箱模型在Solidworks中完成，一定要进行精准仿真，得到一个比较接近于实际专状况的仿真数据，需要对初始的模型进行简化处理，从而提高仿真的精准度。使用FLOMCAD的功能，把模型转化成计算模型。简化原则如下：

首先，设备的外壳厚度在4mm左右，对设备内部电缆造成的阻碍进行忽略；其次，一些热量较小的元器件在进行建模设定的过程中，设定为不导热模块；在热分析FLOMCAD软件中进行模型转换如图1：

在FLOMCAD软件中进行网络的划分，对计算的区域采用Fine的模式进行网络划分，进行以下设置（如图2）

在完成了以上的设置之后，进行初始化计算，环境温度分别定在35℃和45℃，计算收敛之后就可以停止计算。经过试验发现，在45℃时，就向外部的空气流动比较好，总体气流的流入体积为0.25522m3/s，流出的体积为0.25525m3/s，机箱的散热性（自然散热）相对于35℃时没有特别明显的变化，因此，这也导致了机箱没有办法更好的适应恶劣的环境，其内部空气也不能进行很好的流通，因此，散热系统的合理设计就很有必要，保证密闭性的前提下，在内部形成很好的空气流动。

5 总结

雷达电子设备的热设计在遵循一定原则基础上，通过CAD软件、FLOMCAD软件，经一系列计算得知，热源的热功率较小，有利于简化热源模型，减少了计算时间和网络数；此外，冷却单元中，尽量使发热器顺着冷壁散开，避免高发热量或者是相对敏感的元器件处于相邻布置，同时，还不能把元器件直接的放置在高发热量的元器件上部，最好进行交错的布局。经仿真分析显示，机箱散热系统十分关键，日后实践应对其进行密闭、合理设计，以此为国防事业发展提供可靠的雷达电子设备。

参考文献：

[1]王甜，丁飞，刘鲁军.浅析民用雷达电子设备机柜通风孔设计——热设计与视觉传达设计的统一[J].现代工业经济和信息化，2015，23：6667.

[2]白琳，刘娟.大功率电子元器件及设备结构的热设计[J].科技创新与应用，2015，25：3839.

[3]刘巍，张先锋，关宏山.雷达电子设备通风口结构对风机性能的影响[J].电子机械工程，2015，04：911+19.