新一代天氣雷達系統(tǒng)熱設(shè)計與技術(shù)分析

摘要 根據(jù)新一代天氣雷達設(shè)備的工作環(huán)境和運行狀態(tài)，闡述了雷達系統(tǒng)熱設(shè)計的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，主要對雷達系統(tǒng)發(fā)射機的熱通道和散熱系數(shù)進行科學評估，匯總2008～2010年河南省5部新一代天氣雷達的熱報警數(shù)據(jù)，通過對運行環(huán)境中熱報警信息的統(tǒng)計和分析，認為機房布局、制冷設(shè)備、冷熱通道、數(shù)據(jù)監(jiān)控、制冷材料等項目需要改進和調(diào)整，提出將供電、制冷、監(jiān)控和管理組件整合成全面、一體化的解決方案，同時提出下一代熱設(shè)計與分析技術(shù)的重點和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 電路與系統(tǒng)；熱可控性；冷風道；對流換熱；可測性

根據(jù)中華人民共和圍國家軍用標準(GJB／Z 27-92)規(guī)定，熱設(shè)計的目的是控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下，不超過標準及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度，最高允許溫度的計算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，并與產(chǎn)品的可靠性要求及分配給每個元器件的失效率相一致，溫度變化可能改變電子芯片及電路板組件的電子特性和物理特性，從而引起運行失敗或故障。新一代天氣雷達系統(tǒng)的熱設(shè)計是指電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便對它們的溫升進行控制，從而保證雷達設(shè)備或者整個機房穩(wěn)定、可靠地工作。

1 雷達設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)
1．1 雷達運行環(huán)境標準
隨著芯片集成度和功率密度的日益提高，設(shè)備的溫度成為系統(tǒng)工作穩(wěn)定和性能提升的障礙，設(shè)計人員，除了成功實現(xiàn)產(chǎn)品功能之外，還需考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命和環(huán)境適應(yīng)能力等，而這些都與溫度有著直接或間接的關(guān)系。
溫度和故障率的關(guān)系成正比，可以用式(1)表示
F=Ae-E／KT (1)
其中，F(xiàn)=故障率；A為常數(shù)；E為功率；K為玻爾茲曼常量(8．63e-5 eV／K)，T為結(jié)點溫度。
新一代天氣雷達機房溫度根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會ASHRAE TC9．9(American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc)標準制定，保持在72F／22C，為保證氣象雷達系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，對運行環(huán)境提出了較高的制冷要
求，必須建立精確的制冷管理系統(tǒng)。自1965年以來，氣象雷達布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能在過去的幾十年間發(fā)生了質(zhì)的變革，但機房數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計卻變化不大，基本采用強迫風冷和房間級制冷方式，現(xiàn)在全國氣象部門正在使用的新一代天氣雷達現(xiàn)狀，就是2～3臺空調(diào)，提供平均制冷功率不小于30 kW的制冷方案。本數(shù)據(jù)資料中的5個雷達站所用制冷功率均在28 kW以上，機房內(nèi)雷達設(shè)備主要消耗功率18．4 kW。

其中發(fā)射機速調(diào)管是系統(tǒng)的主要發(fā)熱體，速調(diào)管放大器的增益約為50 dB，經(jīng)電弧及反射保護器后，發(fā)射機的輸出功率不小于650 kW。全固態(tài)調(diào)制器是發(fā)射機的重要組成部分，它將交流電能轉(zhuǎn)變成直流電能，轉(zhuǎn)變成峰值功率約2 MW的脈沖能量，調(diào)制器輸出的2 MW調(diào)制脈沖饋至高壓脈沖變壓器初級，經(jīng)脈沖變壓器升壓，在其次級產(chǎn)生60～65 kV負高壓脈沖，加在速調(diào)管陰極，提供速調(diào)管工作所需的電壓和能量，稱之為束電壓脈沖。與之相應(yīng)的流經(jīng)速調(diào)管的電流脈沖稱為束電流脈沖，束脈沖所包含的能量中，約1／3轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射機的輸出高頻能量，約2／3消耗在速調(diào)管收集極和管體，使其發(fā)熱，速調(diào)管風機用于耗散這部分熱量，主要采用強迫風冷的散熱結(jié)構(gòu)。