（机械工程专业论文）室外大功率行波管发射机小型化的结构设计.pdf

工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 abs tract 刀犯thesi ss 加 己 i e s th eo ut d oor m 而a t ur es t ru c t u r e山si gn for ahi gh pow er t m v e ll i n g . wav e t n 双 ” m i tt eronthe b a c k g ro 山 记o f d eve l o p m g a l and e l e c t r o m a gne t l c e 州l r o 劝 m c n t s 汕ul at i n g sys t e m. t h el andel e c t 拍 m a gne tic o n v l r o 钊 山 e n ts i m u l a t in gs y s t e m is avehi cular el e c tr o ni c 、 ， a 叮 s l m u l a t i n g d e v i ced eve 】 o ped for m o demair fo r c e ， 曲d the hi ghpo叭 七 r 七 a v ell吨. w a v e tr aj 招 m i tt e r isthe m ain s ubs y s t e mofth a t s y s t e mfc a t 切 限 dw i t h ul tra 雨deb and，hi ghvo】 ta g e ， 助d hi ghpow e r c o n umpti叽 a c c o r d i n g tothesefe at ijx e s 明d 阮 s peci fications oftechn0 1 o gya n d ta c t l c s ， th e gl o b a i 0 u t d o orm i ni at ur e s tl ” c tu re desi gn isgi ve n fi rs t ， and t h e 氏the s 加 明 t ur e de si gn for e 歇 h m odu l e isperformed c 。 幻 1 d e ri n gel e c t r o m a g n e t 1 cc o m p a t i b il ity，hi gh vo】 ta g ei sol ati叽 址 gh d e nsi ty m o unt in g ， heatdi ss i p a t l 叽 胡d o u t d oor p r o t e c t i on t h e e m p h a s i s ispl a “ 刃on山al 吨 俪也the p ro b l e m s l n t 代 闷 u c edbyo u t d oor m 而a tu 犯s t ru c t 坦 . all the s 枉 u c t ul e desi g n s 明d s tr e ss越 . 1 y sis int hi s t b e s isare peri b nnedw itha u t o c a dorp ro/e， 四d th e 址at di ss 币 a t i o n 山si gnisperformed诫thf l u e n t . t 七 l s p r oj ect 、 v a s 剑ml edone yeara g o ， 助d t h e sys t e mo pen n e s n o n 刀 aily ， w hi chm e a 刀 the ra t 1 o na1 ity and re li abil ity oft b e 山s l gnhas h 努 n p r o v e 几 k 叮wo rd幻 m 而a t 切 res t ru c t 切 限d e si gn， ele c t r o m a gne t i c e n v i ro . m ent s 加u l a t i ng sys t e m ，t r ans m i tt e r ， t ra v elli n g . wave t u be， highv ol ta g e p 0 w e r s u p p ly ，l l q u i d c ool i n g 第 111页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本学位论文 中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。 与我一同工作的 同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 宵汤以年户月才日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或上网公布 本学位论文的全部或部分内容， 可以向 有关部门或机构送交并授权其保存、 借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密论文， 按保密的有关规定和 程序处理。 研 究 生 签 名 : .呼 妈 . ， 了年/ ， 月， 犷 日 第1 页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 1 绪论 1 . 1 研究背景及意义 为了确保祖国的统一，我国政府不排除以 武力的方式解决台湾问题。台湾 当局中的台独势力也意识到台独就意味着战争，而军事高技术优势是未来战争 中致胜的关键因素，因 此台湾当 局近十年来一直致力于军事高科技的建设。据 估计， 在2 0 00年前， 台 湾空军已 动用4 00亿美元来加速其空军武器装备的现代 化建设。 到目 前为止，台湾已 初步建成了一个具有很强实战能力的“ 强网尸 c 3i 系统，对我国东南沿海构成了 严重电磁威胁。 “ 强网”系统由 指挥中心、预警系统和联接各指挥中心、雷达网( 站) 及作 战部队的数据通信网 组成。预警系统由 地面雷达网和4 架e 一z t 预警机组成。 地面雷达网共有16个固定阵地和约3 个机动雷达阵地，部署有16种型号的约 5 0 部对空雷达， 其中包括2 部美国通用电气公司的fps 一1 17雷达， 2 部休斯公 司的had r的改进型h r 一3 0 00 雷达，1 部西屋公司的t ps 一4 0 ( v)雷达和 1 部 g e 一5 9 2型雷达，以 及台湾自 行研制的cs/ m p g 一35 车载机动跟踪雷达， cs/ ups 一 7 0 0 搜索和cs/ u ps一 6 0 ( x ) c 岸基机动雷达等。 此外，台 海军的 舰载对 空雷达 也是“ 强网” 系 统的 有力补 充l . 为了确保在未来可能发生的台 海战争中 拥有绝对的制空权， 我国十分重视 战时地面电磁环境对空军设备的影响，在 “ 十五”期间开始研制5 波段地面电 磁环境模拟系统。该系统在平时可以为我军的雷达电子对抗训练提供模拟的电 磁环境，在战时可以作为干扰机对敌方的雷达和无线通信设备实施电磁千扰。 因此该项目的研制对于提高我国战时电子对抗能力，保障在未来战争中的绝对 制空权，有着十分重要的意义。 1 . 2 项目 简介 5波段地面电 磁环境模拟系统是为 适应现代空军发展的需要而研制的车载 移动式电 子战模拟设备， 用于空军电 子战训练场。 该系统可模拟5 波段二十种带 宽 ( 超宽带)的雷达信号，为航空兵的电子战快速反应攻防训练提供逼真的电 磁环境，同时具备宽带压制干扰的功能。 大功率行波管发射机分系统是该电 磁环境模拟系统的主要分系统之一，其 结构设计是本文所要研究的 课题。 大功率行波管发射机分系统的主要功能是将 小的雷达模拟信号与千扰信号进行放大，获得高的输出 功率， 通过馈线输出 至 高增益定向 辐射天线进行发射。由 于该发射分系统具有超宽带 (xghz 以上， 覆 第1 页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 盖5 波段全程) 、 高功率 (x. xk界 ， 国内 最高) 、 高功耗、 高电 压的 特点， 因此给 发射机的结构设计带来了一系列值得研究的问题。 因为地面电磁环境模拟系统的发射部分与雷达的发射部分相似，因此5 波 段地面电 磁环境模拟系统的 研制是在5 波段宽带超宽带雷达研制的基础上进行 的。 最初在1 9 99年研制出 一台 全固 态的5 波段宽 带发射机， 由 于受关键器件一 一微波晶 体管性能的限 制， 输出 功率仅为3 o 0w， 非连续带宽累 计仅达0 . 4 ghz ， 且需通过开关控制切换频段， 性能不理想， 难以 满足系统要求。 2 0 00年起，开 始转向研制用螺旋线型行波管作为末级功率放大器的发射机， 并于2 0 02年完成 了 研制， 其输出 连续波功率达到千瓦级， 带宽x 一 x ghz ， 基本满足系统要求训. 但是这种大功率行波管发射机最初采用的是机柜型结构，体积较大，一般 安装在电子设备舱室内， 用波导与室外的发射天线相连.由 于车载移动式5 波 段地面电磁环境模拟系统的发射天线需要做方位旋转和俯仰运动，因此在天线 座动静转换处必须使用波导关节。 但是带宽达到xghz以上的波导关节国内尚不 能生产，如果用同 轴电缆代替波导， 那么由 于同 轴电 缆的 柔韧性差， 在天线座 频繁的转动过程中可能会变形、折断，从而降低了系统的可靠性。 为了克服这一难题，考虑将发射机放在天线座俯仰轴上，工作时随着天线 一起转动，这样就可以避免使用波导关节，同时也大大降低了从发射机到天线 的馈线损耗，提高了发射机的有效辐射功率。但是这样的考虑也给发射机的结 构设计带来了新的挑战。由于天线俯仰轴上可承载的物体的体积和重量有严格 限制，这就要求发射机必须体积小、重量轻;又由于天线俯仰轴安装于车舱之 外， 其工作环境是恶劣的沙漠环境， 发射机需要耐受严酷的高低温差、 沙尘暴、 雨淋等影响，因此室外大功率行波管发射机的小型化结构设计成了该地面电磁 环境模拟系统能否研制成功的关键之一。 本文以5 波段大功率超宽带发射机为满足天线转轴承载条件，实现小型化 为目 标，结合行波管发射机本身高电压、高功率、高热耗的特点，着重分析设 计的难点与重点，给出行波管发射机结构小型化、室外防护、热设计的思路和 具体方法。 1 . 3 小型化研究现状 传统地面电子战设备一般结构比 较庞大，对重量、体积等因素考虑不多， 实战机动性较差。随着现代战争武器装备和电 子对抗手段的不断发展， 对电 子 设备机动性的要求越来越高，电 子设备系统的 工作环境日 益恶化， 而设备所要 完成的任务却不断 增加， 因此迫切要求电 子设备具有体积小、 重量轻、 功能多、 性能强、 可靠性高 等特点幻 叫。 第2 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 随着技术的进步，电 子元器件体积、 功耗不断降低，同时表面安装技术 ( s h t ) 、小型微波混合集成电路技术也有了很大的发展，这些都给电 子设备的 小型化带来了 有利的 条 件阁 。目 前一些电 子设备的 的 体积和重量已 较以 往同 样 功能和性能的设备减少了大约xxx 倍。 但是高密度的组装也使电子设备内 部的电 磁环境变得更为复杂， 器件的散 热问题变得更加严峻。 这些问题如果处理不当， 将直接影响电 子设备的可靠性， 因 此电 子设备的小型化对结构设计提出了 更高的 要求川 。 我们研制的5 波段地面电磁环境模拟系统宽带在x 阴2 以上， 覆盖5 波段全 程，单管有效发射功率高达x ， x 姗，属国内最高. 1 . 3 . 1 国 外研究状况 从上世纪60年代开始， 历经40余年的努力， 有源电子扫描阵( a esa)， 通常 也称为有源相控阵技术， 在机载、 舰载和星载雷达上取得了成功的应用。 美军强 调了有源相控阵技术可以 极大地扩展雷达的功能和提高雷达的性能，21 世纪美 国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达都应是a esa 体制的。业内普遍认为， 不掌握aesa雷达制造能力的 厂商将没有立足之地5 。除 美国 之外， 俄国、 法国、 德国、 荷兰、 瑞典、英国、以色列等西方国家也正在这一技术领域进行广泛的合 作开发和大量的资金投入。 采用aesa 的多功能射频系统 ( 综合射频传感器系统)是多功能和多工作方 式的雷达，在典型的综合电子战系统有: ( 1 ) f 一 2 2 机载雷达( an/ap 于7 7 ) ( 2 ) f 一 3 5 ( j s f ) 机载雷达( an越p g 一 8 1 ) (3 ) f / a-18e / f雷达a esa 改进型( an/ap g we 7 9) (4舰载先进综合电子战系统(a 工 e w s) 采用a e sa技术的雷达在综合电 子战系统( ine w s ) 方面实现巨 大的性能突破。 有源电子扫描阵(a esa)可以用一部分t /r组件完成一种功能， 用另外的t/r 组件 完成其它功能;也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。aesa 由 多个子阵组成，而每个子阵又是由多个小型t /r组件组成。 这些综合电子战系统有源电扫阵面中，都包含了 一、二千个宽带、小型化、 高效t / r 组件，其成本占整个雷达系统成本的50%以上。 t 为发射组件，r 为接 收组件。小型化的t /r组件主要由固态功率放大器、低噪声放大器、t/r 开关、 移相器、限幅器和波控驱动器等单元电路组成， 具有完整的接收、发射和控制功 能5 即 ， 。 1 . 3 . 2 国内 研究状况 近年来我国 提出了电 子信息综合系统的 概念， 其核心就是以宽带有源相控阵 为基础的多功能电子系统。 第 3 页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 舰载一体化电子系统的提出， 更是将宽带、 多功能、 小型化要求提到了相当 的高度， 此系统将兼有通讯、 电 子对抗、 雷达功能， 其中完成类似美国s p y 一 3 功 能的宽带多功能雷达更是 此舰载电 子系统的重点， 它肩负 着对低空 掠海高 威胁目 标的发现和跟踪， 以 及引导我海红系列导弹对远程目 标实施打击并利用高分辨功 能进行打击效果评估等多 种复杂任务， 是提升舰船生存能力和打击能力的有力工 具， 由 于此雷达带宽宽 ， 波束扫描角大， 因此研制宽带小型化大功率t /r组件就成 了重点中的难点。 小型化的t / r 组件作为雷达、 通信技术中关键的分系统， 其体积、 重量、 性 能、成本和可靠性直接决定了电子整机各个相关指标。基子 枷ic，各种超大规 模的数模集成电路及和其相关的各种3d 互连技术、高性能的组装、封装技术、 先进的c ad工具、 测量和检测技术、 材料和材料相关的制造工艺技术的快速发展， 以及宽带大功率m i ni行波管问 世，宽带小型化基于m p m 的t /r组件正成为现实 川 1 . 4 本文内 容与安排 本文以 研制室外小型化的大功率行波管发射机为目的，需要在前期国防课 题的基础上，重新设计，在保证可靠性的前提下电路与结构要求更高度集成， 更轻巧。 首先介绍了大功率行波管发射机的室外小型化设计的研究背景及意义，及 国内外研制状况，并对本项目的研究内容作了简要说明，强调能否实现室外小 型化是雷达系统可行性的前提而至关重要。本文的内容安排如下: 第一章:介绍了课题的历史背景和意义，及行波管发射机的研究现状。由 于该发射机的小型化是该模拟源系统可行性的前提，至关重要，提出小型化和 热设计是该系统的关键技术。 第二章:概述了模拟源发射机的基本原理，通过比 较行波管发射机和固态 发射机工作状态的差异，揭示行波管发射机的超宽带、工作电压高导致可靠性 较低、 高功率但低效率导致高热耗的主要工作特点， 作为结构设计的主要依据。 第三章:根据模拟源系统的战技术指标要求，制定发射机小型化和热设计 的总体方案.提出天线上的轻型机箱和舱内二次冷却装置的总体布局思想。 第四章:针对功率放大器、低电压电路、高压电源机箱小型化设计可能出 现的问 题， 提出 解决的办法和关键技术;并介绍了 适应室外露天工作的防护性 技术; 使得发射机主体的 体积与重量大幅减小， 耐恶劣环境能力显著增强。 第五章: 分析行波管发射机全机和各机箱热耗，提出适合发射机室外小型 化的液冷设计和关键技术;并对二次冷却装置的换热能力进行校核，最后通过 热测试验证液冷系统设计的可行性。 第4 页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 第六章: 对论文研究的内容进行总结。 第 5 页 工程硕士学位论文 室外大功率行 波管发射 机小 型 化的 结构设计 (2)行波管放大器的 基本原理 行波管发射机的核心是行波管放大器，它将模拟射频信号放大到满足发射 功率的要求。 行波管放大器是一种高增益的宽带微波功率放大器件，其结构如 图2 . 3 所示。 图2 . 3行波管放大器的结构示意图 1 . 输入装置2 . 电子枪3 . 聚焦磁场4 . 衰减器 5 . 慢波结构6 . 收集极 7 .输出极 行波管放大器主要由输入输出 装置、电子枪、慢波结构、收集极、聚焦磁 场、衰减器等部分组成，其工作原理为:射频信号通过同 轴电缆或波导 ( 本项 目 采用的是同轴电缆)由 输入端口 进入放大器的慢波结构:同时，电 子枪产生 的电子束也被注入慢波结构。 慢波结构可以是螺旋线、祸合腔体、环圈或环杆 结构 ( 本项目 采用的是螺旋线结构) 。 在慢波结构中， 射频信号以行波的方式沿 慢波结构前进， 其相速被放慢到与电 子速度基本相同，在轴向上产生一个交变 的电场。该电场对电 子束中的电 子速度进行调制，处于加速场中的电子速度加 快;处于减速场中的电子速度减小。加速的电 子从射频信号电场获得能量，减 速的电子又将能量还给射频信号，这样射频信号就与电子束发生了相互作用， 并进行了 能量交换。由 于穿过慢波结构的电 子的 速度低于其进入慢波结构时的 初速度，因此能量交换的最终结果是电子束的能量降低了， 而射频信号电 场的 能量增加了， 从而使射频信号得以 放大洲 .被放大的 射频信号由 输出端口 经同 轴电 缆或波导 ( 本项目 采用的是波导) 馈送至天线。 穿过慢波结构的电子己经和射频信号电场交换完能量，需要用收集极来吸 收。此时的电子仍然具有剩余速度，打到收集极上时将转化为热量。 剩余速度 越高，转化的热量越大，效率越低。为了 提高效率，可采用降压式收集极以降 低电 子的 剩余 速度阁 。 电子束从电子枪出来后要穿过细长的慢波结构， 但是电 子束中的电子都带 负电 荷，相互之间的斥力会使电子束很快发散，打到慢波线结构上去而失去将 能量交换的机会。因 此需要一个聚焦磁场来约束电 子束使其能 顺利通过慢波结 构而实现放大s 。 第5 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 在慢波结构中间一般还有一个或两个集中衰减器， 它们的作用是吸收因射 频信号输出不匹配而导致的反射波。 2 . 3 行波管发射机的特点 功率管是发射机的核心器件， 功率管大体上分为电 真空管和固 态管两类。 行 波管是电真空管中的一种，以下通过和固态功率管的比 较，揭示行波管发射机 的工作特点。 2 . 3 . 1固态发射机 其核心器件为微波功率管，单个固 态管与整个真空管相比，只承受很小的 功率， 能 功率合 成、 易实 现、 高可 靠性是固 态发射机实 用 化的 原因 刚 刽 . 它同 真空管相比: 不需要热阴极。 工作电压低. 平均无故障时间较高。 不需要脉冲调制器。 模块故障时，系统具有故障弱化功能。 在相控阵雷达应用中， 可获得很好的灵活性。 典型的固态发射机由 许多模块组成，因此，一个或少数几个模块故障对整 机的性能影响很小。故障弱化的功能使固态发射机的整机可靠性非常高，甚至 维修的时间可 推 迟到方 便的 规定时间 刃 . 如图2 . 4 为某5 波段固态末级功放组件装配图;图2 ， 5 为该波段全固态雷 达发射机的外形图。 它是工作频带宽0 . 26ghz 、 峰值功率数千瓦、 平均功率xx姗 的主振放大式脉冲发射机。 在每个末级功放中， 功率放大依次为:1 2 .功放模 块，50w 功放模块 1 8 佣功放模块一4 个1 80贾 功放模块合成输出)6 00w峰值 功率。发射机的功率放大顺序为:一个双工前级输出约4 佣功率，推动8 个末 级功放组件， 最后通过功率合成器输出) 4 k 砰 的峰值功率。 其中1 8 0w功放模块 共40个、 末级功放8 个、 开关电 源3 个。 可见， 发射整机由 多 组模块进行积木 化拼装，和多级的功率合成.每部开关电 源输出3 6v及5 以，即近2 姗功率给 功放组件，电源与功放组件的工作电压低，可靠性高。个别功放模块 ( 微波晶 体管)的失效，对发射机输出功率影响不大，因而具有良 好的故障弱化功能。 第9 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 频段大功率发射机仍以电 真空管为主， 而固 态放大技术与有源相控阵技术结合， 使在c 波段和x 波段实现发射机的固态化成为可能。 在5 波段以 下的发射机已 大量地 选用全固 态发 射机lz1. 固 态发 射机 具 有 低工作电 压 ( 数十 伏) 、 模块化、 高可靠性的特点; 真空管发射机具有高工作电 压 ( 数十千伏) 、 可靠性较低的 特 点，两类发射机结构设计的差异很大。 (2 ) 输出功率 发射机的输出功率是指发射机末级放大器 ( 或振荡器) 送至馈线系统的射 频功率。发射机的输出功率决定了雷达的威力和抗干扰能力。 对于连续波发射机， 输出功率的平均功率即峰值功率。 对于脉冲发射机， 其输出 功率的峰值功率和平均功率不同。 过高的峰值功率易发生耐压不足和高 功率击穿等问题，结构设计应充分考虑; 而高输出功率 ( 平均功率) ， 意味着发 射机热耗也较高，直接影响冷却设计。 幻 总效率 发射机的全机效率一般定义为发射机输出高频功率与交流供电 ( 市电) 或 发电机的输入功率 ( 包括冷却用电)之比。因为发射机是整机中是功耗最大的 分机，同时也是最需要冷却的分机。 对于主振放大式发射机要提高总效率要特 别注意输出级 ( 末级)的效率。 发射机的效率直接影响全机的热耗，提高发射机的全机效率有助于降低热 耗，简化冷却设计. “ ) 信号形式 模拟源发射机所需要模拟多种雷达的信号，对发射机射频部分和调制器的 要求也各不相同，调制器主要应满足脉冲宽度、脉冲重复频率和脉冲波形 ( 脉 冲的上升沿、下降沿和顶降)的要求。不同的信号形式如:脉冲波与连续波发 射机在输出峰值功率相同的情况下，前者的平均功率只有后者的几分之一，功 耗也小得多， 冷却设计上会有较大差异 lj o 1 。 (5 ) 信号稳定度或频谱纯度 信号的稳定度是指射频信号的振幅、 频率 ( 或相位) 、 脉冲宽度及脉冲重复 频率的稳定性。 任一参数的不稳定性都会影响高性能雷达主要指标的实现。现 代雷达对发射信号的稳定性提出了严格的要求，为了满足这些要求，发射机结 构设计时对高低压电路、高低频电 路需要充分考虑全机的电磁兼容性，避免内 部电 路间的 千扰;结构件要避免与高频电 路的 共振现象等l侧。 发射机结构需 精心设计。 2 . 4 . 2 结构性能 结构设计时要综合考虑发射机的体重量、 通风散热、抗振动冲击、耐高低 温、三防、电磁兼容性等多方面性能:就使用方面看，应便于控制监视、检查 第 12页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 维修， 保证安全可靠等; 由 于发 射机往往是雷达系统中 最昂贵的一个部分， 还应 考虑它的 经济性叫。 2 . 5 本章小结 本章分析行波管发射机的工作原理;通过和固态发射机的对比，揭示其宽 频带、高电 压、高功率、高功耗的的工作特点: 提出 影响发射机结构设计的 诸 多因素，为室外大功率行波管发射机小型化的结构设计提供理论依据。 第 13页 工程硕士学位论文 室外大功率 行波管发射 机小型 化的结 构设 计 3 行波管发射机小型化的总体方案 3 . 1 技术要求 3 . 1 . 1 结构要求 地面雷达中， 发射机是高功率、 故障率也相对较高的设备， 通常放在舱室内 电器设备房内，由同 轴或波导及其关节连接到室外天线。本系统对功率要求很 高，同时系统工作频段宽，为 x xghz，目 前国内 还没有这么宽频段的波导关 节， 所以 在天线座动静转换处只有通过电缆连接，这样电缆在天线座转动时可 能被绞断，降低了系统的可靠性。因此考虑将发射机放在天线座俯仰轴上，工 作时发射机随着天线一起转动，这样就避免使用波导关节，同时大大降 低了 发 射机到天线的 馈线损耗， 在单只行波管放大器连续波输出功率己 达极限的情况 下， 来满足系统有效辐射功率指标要求。 将发射机放在天线座俯仰轴上，由 于发 射机的重量及体积较大， 大大增加 了天线座的负荷，使伺服电机的选择及天线座的设计难度大大增加。但通过对 天线座和发射机箱体的结构进行优化设计，选择如此布置是可行的。由于发射 机采用液冷，为了 减轻天线上发射机的载荷，二次冷却装置放在车舱内。 方舱分为两个部分， 前面部分为天线舱， 舱内放置发射机的二次冷却装置， 顶部放置天线座、发射机和天线，同时在舱内天线座底部设置支撑装置，增加 舱顶对天线座的支撑刚度;后面部分为控制舱，舱内 放置雷达模拟源机柜、控 制机柜、雷达干扰源机柜、伺服控制机柜和沙发等设备。 3 . 1 . 2 使用要求 (1)工作环境及可靠性要求: a) 工作温度:舱内 一 10+30 舱外 一 4 0 ，c+ 5 5 储存温度: 一 45+70 b )湿度:9 战9 8 %( 2 5 ，c) c )工作可靠性: m t b f )2 0 0 h d) 工作可维修性:盯tr(0 . sh e) 连续开机时间:)1 0h ( 2 ) 供电要求:三相交流3 8 0 v ，5 0 h z( 油机或市电) : (3)生存能力及安全性: 有抗风损毁措施， 保证8 级风正常工作，10级风不 破坏 ( 收藏) ; (4 ) 防护要求:防风沙、防潮湿、防霉菌、防锈蚀; 第 14页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 (5)运输要求:公路及铁路运输。如图3 . 1 所示。 . 1 0 迄 分 颧 图3 . 1 04双工程5 波段电 磁环境地面模拟系统结构布局示惹图 1 .汽车 2 .方舱 3 . 空调 4 . 设备机柜 5 . 发射机 6 . 超短波通信天线 7 .发射天线8 .二次冷却装置9 .油机拖车 3 . 2 需求分析 3 . 2 . 1 需求分析 (l ) 天线俯仰轴的承重需求 为减少在传输线上的功率损耗，把发射机直接安装在天线俯仰轴上，这就 需要发射机小型化、 轻量化设计， 满足天线转动灵活， 俯仰自 如的 需要， 所以 必须摒弃原来相对笨重的机柜结构，采用轻型机箱直接挂装的结构形式. 由 于采用液冷， 一次冷却部分为发射机主体的液冷冷板， 放在天线上;二 次冷却装置放在车舱内，仍为机柜结构。减轻天线上发射机的重量。 (2 ) 电 磁兼容性要求 发射机的核心器件行波管，阴极高压接近 1 0 kv、输出平均功率不小于 x . x 姗。 如此高的电 压很容易 对发射机的 低压部分构成严重干扰; 并且小型化高 密度安装的发射机内含有高频、低频电路:电路中又有小信号、大信号;这些 电 路之间也易发生严重干扰，而无法正常工作，为了 保证发射机具有良 好的电 磁兼容性， 在发射机结 构设计时要求做到充分的屏蔽隔离 16 到 。因 此天线上的 发射机箱设计为三个模块: 低压包: 变频器、 前级放大器等; 高压包:高压电源; 行波管:外购. 第 巧页 工程硕士学位论文 室外大功率行 披管发射机小型化的结构设计 以 上三个高、 低压屏蔽机箱构成发射机的主体。 (3 ) 室外环境对可靠性的要求 根据任务的 要求， 本发射机置于环境条件恶劣的 沙漠室外露天 环境中， 要能 够耐受严酷的高、低温、沙尘暴、雨雪等影响， 低压包、高压包均设计为密封 屏蔽结构机箱: 行波管本身就是铝合金金属外壳的真空密 封设备;以 上3 个机 箱外加一个防护罩再次密封， 保护机箱间的高低压及高低频电缆、 电 连接器; 水 管、 水接头等，而水接头与电 连接器也都是防 水的密封结构。 所以发射机是多 重密封防护措施的屏蔽箱体结构，具有良 好的耐室外恶劣环境能力。 因液冷的冷却效率较高，能较好地兼顾散热与防沙、防雨目 的，全机采用 液冷. 3 ， 2 . 2 设计要点 (j ) 发射机箱的结构优化设计 为了实现发射机的小型、轻型化、并便于实际操作，首先抛弃机柜结构而 采用轻型机箱来直接挂装; 还要考虑多 种电路混装的电 磁兼容性: 便于操作， 即方便一、二次冷却装置间的水管连接、舱内电 缆从俯仰轴中心通孔于发射机 间的连接;降低机箱的设计高度，以减小对俯仰轴安装面的重力矩载荷;适应 外购行波管的长条形结构等。机箱设计为分别独立的高、低压包.这样室外发 射机小型化的结构设计重点是独立的高、 低压包结构; 整机的耐室外环境性能: 散热问题. (2 ) 发射机的热设计 要在全密封状态下，解决发射机高损耗问题，热设计也是至关重要的。优 良的冷却设计不但要确保发热部件工作在允许的温度环境中，而且还要满足相 应的耐压绝缘要求. 通常发射机的冷却方式为风冷或液冷。 采用风冷， 发射机需安装离心风机、 预留风道，造成体积、重量的增加;风冷的开放式结构，也不利于室外全天候 工作。采用液冷， 冷却效率高，便于发射机的密封设计，提高耐室外恶劣环境 的能力;把液冷的二次冷却装置放在于车舱内，通过水铰链、 连接软管， 连接 到天线上的发射机，不增加天线转轴的负荷。 3 . 3 总体设计方案 3 . 3 . 1 原理与组成 发射机在电路上采用主振式放大体制，以5 波段倍频程、 连续波x . x k 叨 功 率行波管为核心，由 发射机主体和冷却系统两部分组成。 发射系统电原理框图如图3 ， 2 所示。 第 16页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 射频输出射频输入 自总控台 图3 . 2 发射系统原理框图 自系统配电 其中发射机主体直接挂装在天线俯仰轴上，包含以下组件: 功率放大器 由高频元件、前级放大器和行波管放大器组成。 低压电路 由低压电源、变频器、控制保护电路等组成。 高压电源 由收集极电源、阴极电源、钦泵电源、阳极控制器、灯丝电源等组成。 从结构上看，由于多个功能模块合并装入某个机箱，最终只有三个功能机 箱。从安装位置上看，发射机的主体装在天线俯仰轴上;二次冷却装置装在车 舱内。 发射机主体浓缩为3 个大的功能模块: 低压电路包一变频器: 高压电路包 一高压电源:真空管微波功率放大器一行波管;及结构件一防护罩。 液冷的二次冷却设备放在车舱内。 发射机各部分的 工作电 压、安装位置及重量分配如表3. 1 所示: 表3 . 1发射机组成及重量分配 序号名称工作 电 压 安装位t数 量重量 ( k g ) l行波管 1 0 k v 天线俯仰轴 ll 5 2高压 电源 1 0 k v 天线俯仰轴 l4 7 . 5 3变频器、前级放 2 2 0 v 天线俯仰轴 l2 2 . 5 第 17页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 大器、钦泵电源 4防护翠 / /. 天线俯仰轴 1l 0 5 二次冷却装置 2 2 0 v 车舱 l3 oo 发射系统总重量3 95 3 . 3 . 2 安装接口 发射机主体为3 个机箱外加1 个防护罩，分别通过螺栓固定到天线俯仰轴 上。液冷的二次冷却装置放在冷却舱内。模拟源系统总体设备，如总控台放在 控制舱内。俯仰轴中心设计成大型通孔，通到控制舱和冷却舱。 天线俯仰轴的两侧均设计为高强度的箱体结构作为安装面，一侧用于挂装 发射机主体;另一侧挂装配重用的模拟源配电箱。俯仰轴及箱体中心有直达车 舱的通孔，用于穿过发射机和舱内 模拟源总体间的电缆;一、二次冷却装置间 的橡胶软水管。这样，电缆、水管布线隐蔽美观、安全可靠;并基本消除天线 俯仰运动导致线缆长度变动的不利影响。 天线的俯仰轴固定在天线方位转台上。 发射机主体在小型与轻量化的同时，整体的重心设计要求与俯仰轴中心重 合或靠近，以减小俯仰轴的转动力矩载荷;还要降低机箱设计高度和使三个机 箱高度尽量接近，减小对转轴的重力矩载荷:此外，发射机箱上电缆及水管的 接口 应尽量靠近中 心孔， 减小天线转动带来的 位置变化影响， 避免工作的绷紧 松脱、甚至损坏。 3 . 3 . 3 冷却系统 针对发射机不同发热部件的冷却需求， 需要不同的冷却方式进行冷却， 有: 风冷、油冷、液冷。因此，发射机的冷却系统包含上述三种冷却方式的组合。 但最主要的冷却方式为液冷，它冷却效率高、是兼顾发射机高功耗与室外 露天工作的防护要求的最佳冷却方式。液冷的实现方式复杂，需要进行精心的 液冷系统设计is团。 液冷系统主要由:一次冷却装置，即发射机的主体，有液冷冷板、自 密封 的快速插拔水接头、连接管等; 二次冷却装置;水铰链;管路系统和相应的控 制保护电路组成。 液冷管路系统采用3 1 6l不锈钢钢管、 不锈钢软管和高压橡胶软管， 所有管 路都耐腐蚀。 每部组件的冷板装有两付法国s t a u b li的自 密封快速插拔水接头， 即使在开机 ( 通水) 状态下插拔， 也不会漏液。液冷系统采用并联方式，降低 水泵的供液压力，同时保证行波管或高 压电 源等发热器件流量均匀一致。二次 冷却装置安装于车舱内， 其外观如图3 . 3 所示。 第 18页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 仁 =。 = 七兰二1负 羹副 昌 霎 霎 羹 鬓 霎 鬓 鬓 鬓 鬓 羹 、 - l4 图3 . 3二次冷却装置外形图 3 . 4 本章小结 本章根据电磁环境地面模拟系统的要求，给出小型化发射机的结构总体方 案。 发射机主体采用多个小型、轻型化机箱直接挂装于天线俯仰轴的设计，液 冷系统的二次冷却装置安装于车舱内。为了兼顾解决发射机的高热耗及室外露 天防护性问 题， 全机采用液冷的冷却方式。 第19页 工程硕士学位论文室外大功率行波曹发射机小型化的结构设计 在增强金属导电性同时，还提高了抗腐蚀性能。 (2) “ 三防”处理:整机调试完毕后，变频器内部、 包括多个屏蔽盒、印 制 电路板表面喷涂环氧绝缘清漆 h 31一，能起到增强抗腐蚀和防霉作用。环氧酚 醛玻璃布板、布棒因吸湿性较强，加工成型后，又在高温下浸入环氧绝缘清漆 中，再烘干形成表面漆膜，封闭材料表面小孔，避免水气进入。 4 . 5 现发射机同 其前身的比 较 本行波管发射机的前身是安装于空调环境的车舱内，机柜结构的发射机。 在主要电性能指标如工作频率、输出功率等完全相同状况下，列出表4 ， 2 为发 射机小型化设计前、后的结构性能对照表;表4 . 3 为发射机小型化设计前、后 结构组成对照表: 表42 结构性能对照表 比较内容 行波管发射机 前身 现在 结构形式机柜 3 个机箱加防护晕 安装位置舱 内室外沙漠 ( 天线转轴) 安装状态水平悬挂 工作状态静止俯仰、方位转动 环境温度0 3 0 一4 0 5 5 外形: 长 x宽 x深 1 2 0 0 x 9 5 0 x 5 5 0 ( mm )9 8 0 x 7 7 0 x 2 4 0 ( mm) 体积 6 2 7 x l o 6 ( m m 3 )l s l x l o ( m m 3 ) 整机重量 2 0 0 k g9 5 k g 冷却方式风冷、液冷、油冷液冷、油冷 注:不含二次冷却装置 表4 . 3 结构组成对照表 机柜式发射的组成 ( 前身)机箱式发射机的组成 ( 现在) 名称数量重量( k g )名称数量重量( k g ) 机柜及附件 l6 0 一一 一一2 / / / 配电转接分机 ll 5 一/神/ / 前级放大器 ll 0 一/2 / / / / / 低压控保分机 li 5防护 罩ll 0 第42 页 工程硕士学位论文 室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 阳极控制分机 ll 0变频器 l2 2 . 5 行波管 11 5行波管 l1 5 高压 电源 l75高压 电源 14 7 . 5 总计 2 0 0 k g总计 9 5k g 注: 不含二次冷却装置 由以 上2 表可以 看出，小型化设计以 后的 行波管发 射机体积只有前身的 约 1 /3，重量只有前身的约 1 /2 ;工作环境有舱室内 转换到恶劣室外露天环境;耐 环境温度变化范围更广。 其综合性能显著提高。 4 . 6 本章小结 本章具体分析行波管发射机各功能部件在小型化设计中 遇到的问 题， 并提 出解决的办法和关键技术，如液冷冷板与机箱壳体的一体化设计、兼顾绝缘与 散热的抽真空灌油设计等;针对室外露天工作状况，给出由内而外的完善的密 封及防护性设计. 在不含液冷二次冷却装置条件下，使得发射机主体的体积与 重量显著减小，耐恶劣环境能力显著提高。 第43 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 5 行波管发射机的热设计 5 . 1 发射机热设计概述 发射机热设计与冷却的目 的是降低发热元器件的热点温度、控制和调节发 射机设备内的温度， 给发射机提供一个适宜的工作环境，以 提高发射机工作的 稳定性和可靠性，提高适应恶劣环境的能力， 并延长贵重元器件的寿命阁。 发射机的热设计， 就是通过不同的冷却方式， 对不同类型发射机的功率管、 发热元器件进行冷却， 保证发射机及其元器件工作在允许的 温度范围内。随着 电 子技术的不断发展， 发射机热流密度越来越大， 如热设计不合理， 将导致电 子设备性能下降乃至损坏，因此发射机的热设计和冷却系统的优化设计越来越 重 要 t 图 。 由于本辐射源发射机本身具有高功率、高功耗的特点，热分析、热设计在 发射机的系统设计中至关重要.发射机常见的冷却方式有:风冷、液冷、空调 制冷等。热设计关键在于冷却方式的选择，它包括冷却方式的有效性、冷却系 统的合理性、及良 好的经济性团阁。 5 . 1 . 1 风冷方式 (l ) 自 然通风冷却。用于热损耗小的地方， 应用于一般的仪器仪表，在发射 机的热设计中应用不多。 (2 ) 强迫风冷。主要为垂直抽风和侧向 静压风道吹风两种， 用于热损耗较大 且分散的部分，是雷达发射机最常用的冷却方式。 (3)空调风冷。由室内、外机组成。室内 机是密闭的风路系统，冷的干燥空 气由压缩机、 冷凝器、 蒸发器产生， 通过空气分配器 ( 均压箱) 到达发热设备， 并在密闭的发射机内循环，是满足 “ 三防”要求的冷却方式。 空调风冷缺点: 凝露。空调送风温度低于露点温度时会有凝露现象，需增加接水盘，并 延迟发射机开机，待空调除湿结束后再开机。 低温不启动。通常空调压缩机在环境温度一10以下，因进口空气压力 过低而不能启动，可能影响发射机正常工作。 可靠性较低。由 于设备量较大， 管路及控保电 路等在实际 使用过程中易 出现故障。 5 . 1 . 2 液冷方式 液冷冷却效率高，用于热损耗大且集中的部分，能大大提高设备对气候环 境的防护能力及电 磁屏蔽效果， 但构造复杂， 成本高洲祠 . 又可分为: 第44 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设计 (l)常规液冷。 其高 温水通过二次冷却装置的 常规风冷进行冷却，再冷却发 射机， 循环往复。如某车 载大功率噪声干扰发射机 3 xx、 机动三坐标相控阵雷 达x x s 等。 (2)压缩机制冷液冷。 其二次冷却装置包含了空调压缩机，高温水通过空调 风冷却，冷却效率更高。 但设备量更大、故障率也更高。 在实际设计中，需根据系统总体的要求，及发射机的工作特点，对各部件 功耗统筹考虑， 灵活运用一种或几种组合的方式进行冷却， 保证设备的长寿命、 高可靠性刚. 5 . 1 . 3 发射机的 热设计简介 根据任务要求，本发射机安装于沙漠室外露天环境，条件恶劣，发射机需 设计成全密封结构。由于液冷是兼顾高温环境与防沙、防雨雪、电磁屏蔽、及 发射机主体小型化、轻型化的最合适冷却方式， 全机最主要的冷却方式为常规 液冷。 行波管采用液冷水套;变频器里的 大功耗功率管尽量贴在液冷冷板上，内 部辅以风冷;高压电 源的高热耗器贴近液冷冷板安装，且全部电路、器件浸在 硅油里兼顾绝缘与散热。 液冷采用的介质为 66%的乙二醇防冻液.其工作温度范围为一 55o c +l10o c， 即保持稳定液态， 不上冻、 不沸腾。 宽于室外工作环境温度: 一0 o c +55 o c要求。 此外，发射机的热设计还采用了风冷、油冷等，以多种冷却方式组合，有 效地冷却发射机的各种发热器件。液冷是最主要的冷却方式、贯穿冷却发射机 的所有机箱，液冷设备较复杂，以下详细介绍液冷系统的设计。 5 . 2 发热组件的 热分析 5 . 2 . 1 热耗分析 发射机需要冷却的主要设备有: 热部分集中在以下几方面: 行波管功耗:平均输出功率 行波管、高压电源、变频器等，主要的发 p 附 =l.sk平， 带内 效率叮 ， = 2 0% q 二 = 儿甲 / 冲 ， 一 只 盯=l. 5/o 2 一 1 .5 = 6k甲 ( 5 1 ) 高 压电 源功耗: 平 均输出 功率几行= 7. 5k牙，效 率冲 ， = 88 %， c 价 ”= 气”/ 冲 。 一 气”= 7 。5 / 0 .8 8 一 7 . 5 = i k 甲( 5 . 2 ) 变 频 器 功 耗 :残。 一 0. 42 k 平 第 45 页 工程硕士学位论文室外大功率行波管发射机小型化的结构设