新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)與技術(shù)分析

摘要 根據(jù)新一代天氣雷達(dá)設(shè)備的工作環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)，闡述了雷達(dá)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，主要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的熱通道和散熱系數(shù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，匯總2008～2010年河南省5部新一代天氣雷達(dá)的熱報(bào)警數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行環(huán)境中熱報(bào)警信息的統(tǒng)計(jì)和分析，認(rèn)為機(jī)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(xiàng)目需要改進(jìn)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(shí)提出下一代熱設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的重點(diǎn)和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 電路與系統(tǒng)；熱可控性；冷風(fēng)道；對(duì)流換熱；可測(cè)性

根據(jù)中華人民共和圍國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB／Z 27-92)規(guī)定，熱設(shè)計(jì)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度，最高允許溫度的計(jì)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(gè)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(yùn)行失敗或故障。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)是指電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機(jī)或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證雷達(dá)設(shè)備或者整個(gè)機(jī)房穩(wěn)定、可靠地工作。

1 雷達(dá)設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)
1．1 雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)
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(jì)人員，除了成功實(shí)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(diǎn)溫度。
新一代天氣雷達(dá)機(jī)房溫度根據(jù)美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)ASHRAE TC9．9(American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc)標(biāo)準(zhǔn)制定，保持在72F／22C，為保證氣象雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，對(duì)運(yùn)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(lái)，氣象雷達(dá)布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能在過(guò)去的幾十年間發(fā)生了質(zhì)的變革，但機(jī)房數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計(jì)卻變化不大，基本采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和房間級(jí)制冷方式，現(xiàn)在全國(guó)氣象部門正在使用的新一代天氣雷達(dá)現(xiàn)狀，就是2～3臺(tái)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(gè)雷達(dá)站所用制冷功率均在28 kW以上，機(jī)房?jī)?nèi)雷達(dá)設(shè)備主要消耗功率18．4 kW。

其中發(fā)射機(jī)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(hù)器后，發(fā)射機(jī)的輸出功率不小于650 kW。全固態(tài)調(diào)制器是發(fā)射機(jī)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(jí)，經(jīng)脈沖變壓器升壓，在其次級(jí)產(chǎn)生60～65 kV負(fù)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(jī)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(fēng)機(jī)用于耗散這部分熱量，主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱結(jié)構(gòu)。