新一代天氣雷達系統熱設計與技術分析

摘要 根據新一代天氣雷達設備的工作環境和運行狀態，闡述了雷達系統熱設計的工作原理和結構特征，主要對雷達系統發射機的熱通道和散熱系數進行科學評估，匯總2008～2010年河南省5部新一代天氣雷達的熱報警數據，通過對運行環境中熱報警信息的統計和分析，認為機房布局、制冷設備、冷熱通道、數據監控、制冷材料等項目需要改進和調整，提出將供電、制冷、監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計與分析技術的重點和發展方向。
關鍵詞 電路與系統；熱可控性；冷風道；對流換熱；可測性

根據中華人民共和圍國家軍用標準(GJB／Z 27-92)規定，熱設計的目的是控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下，不超過標準及規范所規定的最高溫度，最高允許溫度的計算應以元器件的應力分析為基礎，并與產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的熱設計是指電子設備的耗熱元器件以及整機或系統采用合適的冷卻技術和結構設計，以便對它們的溫升進行控制，從而保證雷達設備或者整個機房穩定、可靠地工作。

1 雷達設備散熱結構
1．1 雷達運行環境標準
隨著芯片集成度和功率密度的日益提高，設備的溫度成為系統工作穩定和性能提升的障礙，設計人員，除了成功實現產品功能之外，還需考慮產品的穩定性、工作壽命和環境適應能力等，而這些都與溫度有著直接或間接的關系。
溫度和故障率的關系成正比，可以用式(1)表示
F=Ae-E／KT (1)
其中，F=故障率；A為常數；E為功率；K為玻爾茲曼常量(8．63e-5 eV／K)，T為結點溫度。
新一代天氣雷達機房溫度根據美國采暖、制冷與空調工程師學會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穩定可靠地運行，對運行環境提出了較高的制冷要
求，必須建立精確的制冷管理系統。自1965年以來，氣象雷達布局結構和產品性能在過去的幾十年間發生了質的變革，但機房數據中心的冷卻設計卻變化不大，基本采用強迫風冷和房間級制冷方式，現在全國氣象部門正在使用的新一代天氣雷達現狀，就是2～3臺空調，提供平均制冷功率不小于30 kW的制冷方案。本數據資料中的5個雷達站所用制冷功率均在28 kW以上，機房內雷達設備主要消耗功率18．4 kW。

其中發射機速調管是系統的主要發熱體，速調管放大器的增益約為50 dB，經電弧及反射保護器后，發射機的輸出功率不小于650 kW。全固態調制器是發射機的重要組成部分，它將交流電能轉變成直流電能，轉變成峰值功率約2 MW的脈沖能量，調制器輸出的2 MW調制脈沖饋至高壓脈沖變壓器初級，經脈沖變壓器升壓，在其次級產生60～65 kV負高壓脈沖，加在速調管陰極，提供速調管工作所需的電壓和能量，稱之為束電壓脈沖。與之相應的流經速調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轉變為發射機的輸出高頻能量，約2／3消耗在速調管收集極和管體，使其發熱，速調管風機用于耗散這部分熱量，主要采用強迫風冷的散熱結構。