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    某大功率短波发射机结构设计

    作者:刘军水,张伟涛,赵奎(同方电子科技有限公司,江西九江 332002)时间:2022-12-23来源:电子产品世界收藏
    编者按:为了设计出满足用户要求的大功率短波发射机结构,详细描述了结构设计思路,通过介绍整机结构布局设计、机柜机箱设计、热设计和散热仿真,达到对大功率短波发射机结构设计作总结的目的,对短波通信行业的设计人员提供一定参考。


    本文引用地址:http://www.eventoempresarial.net/article/202212/442049.htm

    0   引言

    随着现代通信技术的发展,各种通信手段不断完善,作为传统重要通信模式的通信虽然受到了挑战,但也因其特有的优势:成本较低,构建、组网工作具备快捷性、灵活性,使其应用渠道不断得到拓宽。即便通信发射机处于恶劣的通信环境下,其数据信息的传输以及通信效率都可以得到强有力的保障。结构设计是某发射机研制过程中的一个重要环节,它对保证大功率短波发射机优良性能和可靠性起着重要作用。

    1   结构设计思路

    依据某大功率短波发射机实际使用情况,严格按照所引用的各类标准及要求进行结构设计,贯彻标准化、模块化的设计思想,以提高设备的可靠性、互换性,降低成本、缩短研制周期;发射机各单元采用19 英寸标准上架插箱,通过导轨安装在机柜上,机柜安装大承重脚轮;运用人- 机- 环境系统工程的设计原理,对设备进行了全面考虑、合理布置,保证设备人机交互良好,使某大功率短波发射机工作环境舒适,操作维修方便,安全可靠;应用、吸取现有设备的优点和成熟技术,优先采用经实践证明的可靠的设计及工艺。设备包装满足铁路、公路、空运和水路运输要求。

    为满足发射机45℃ 环境下正常工作的要求,进行了合理的热设计,其中功放单元采用高效散热技术,单元需具有多点检测,监测水压、水泵电流等手段,以保证单元的可靠性;液冷单元能方便更换液体和组成零部件,具有良好的可维修性,且各组成零部件需具有良好的防腐蚀性能;

    2   整机结构设计

    某大功率短波发射机主机由3 个机柜设备并联组合而成,高度全部为32U,整齐划一,具有互换性,降低了成本。尤其是在减小设备体积,优化散热设计,增强设备防护,灵活安装应用等方面进行了改进。主机各单元设备包括功放单元、发射机控制单元和激励单元等单元。总外形尺寸为:宽× 高× 深:1 810 mm×1 600 mm×900 mm。外形尺寸如图1 所示。

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    图1 某大功率短波发射机外形尺寸图

    设备结构运用成熟技术的同时,结合采用目前国内外先进的、经过实践证明的新材料、新工艺,便于生产和维修。整体外观设计简洁明快,具有现代感和良好的人机关系。

    主机中的各单元部件采用模块化设计,符合国标和军标对尺寸系列要求,通过导轨安装在机柜内,机柜后部对应单元的位置布置有跟线架,左后边设计有接地导条。功放机柜预留了1 个2U 和2 个1U 空间,综合机柜预留了4 个1U 空间,充分考虑了互换性和将来的功能扩展,便于生产和维修。

    3   机柜机箱设计

    机柜机箱是安装和保护电子设备内各种元器件与机械零部件的重要结构,对于排除各种复杂环境对设备的干扰,保证设备安全、稳定、可靠地工作,提高设备的使用效率以及增加设备安装、维护的方便等方面起着重要作用。

    机柜选用优质冷轧钢板,折弯焊接成型。前后门开有密排通风孔保证良好通风散热。内设安装板与走线架安装板,安装板上下焊接连接上顶与下底。下底用厚钢板加固适用于脚轮的安装,上顶焊接厚板材加固4 处吊环处,保证抗拉性,吊起时不变形。导轨均采用优质高承载性三节导轨,安装牢靠,移动顺畅。机柜的设计能保证不同的插箱可以根据外观、接线、电性能的需要进行配置和互换。

    机箱均采用19 英寸上架插箱形式,满足所引用标准的要求,安装导轨后装入机柜。设计机箱时,在给定的使用环境中,综合考虑设备内部的占用空间、热影响和电磁干扰,使机箱具有足够的强度和刚度,确保机箱内部各模块、器件、电路板的安装连接可靠,保证设备电性能的稳定。

    4   热设计

    某大功率短波发射机各单元满足环境温度:工作温度:-15℃ ~ 45℃,贮存温度:-40℃ ~ 65℃。发射机各组成单元依据散热功耗的不同,采用不同的散热方式,其中功放单元的功耗和热流密度最大,功放单元设计方案是8 个3 kW 功放单元合成出某大功率,热设计采用液冷+ 强迫风冷相结合的方式。激励器和发射机控制单元以及其他各单元均采用通风强迫风冷散热方式。

    功放单元采用高效液冷散热技术,在总体积和散热能力方面有显著的优势。液冷工作过程主要是冷却液经泵,按照一定压力及流量进入冷板,在冷板中与发热器件进行换热,冷却液温度上升带走热量,升温后的冷却液进入换热器,与空气或者其他冷源换热,冷却液温度下降,进入水箱,经过泵的作用再次进入冷板,形成一个完整的循环。在冷板内部设计有流道,发热器件就安装在冷板上。功放单元冷板材料选用铝,冷却液为65#冷却液(65% 的乙二醇水溶液),入口温度为45℃,入口速度2.314 m/s。

    功放单元冷板流道曲线及发热源分布如图2 所示,总发热耗功率Q 为3 900 W。单个功放板的发热功率为937.5 W,4 个功放板的发热功耗占整个功放单元功耗的96.5% 左右。因此在实际工作中,功放板是整个功放单元发热最严重的部分。

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    图2 功放单元冷板流道曲线及发热源分布图

    5   散热

    为验证散热效果,使用ANSYS 软件对功放单元进行热分析。中设置环境温度为45℃,仿真结果如图3、图4。其中图3 为功放模块、冷板和换热器温度分布云图,图4 为流道流速矢量图。从中可知流道流速正常,功放模块的温度最高为71.5℃,小于功放管允许的最高温度。因此,功放单元热设计满足要求。

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    图3 功放单元温度分布云图

    发射机控制单元采用通风强迫风冷散热方式,主要发热模块全部靠左边放置,风道就安排在左边一侧。图5 为发射机控制单元温度分布云图,从中可知电源模块芯片的温度最高为72.4℃,小于电源模块允许的最高温度。因此,发射机控制单元热设计满足要求。

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    图4 流道流速矢量图

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    图5 发射机控制单元温度分布云图

    6   结束语

    为适应现代高科技电子战不断演变的需要,某大功率短波发射机结构设计需解决的课题会越来越多,它是一个完整的自上而下的设计过程,先明确总体方案(主题),再构思具体内容,逻辑递减又紧密关联,实践证明这是一种非常高效的设计方法。

    参考文献:

    [1] 曲书磊.5 kW短波宽带功率放大器的设计与实现[D].广州:华南理工大学,2013.

    [2] 龚维蒸,张裕荣,戎磊.电子设备结构设计基础[M].南京:东南大学出版社,1994.

    [3] 金玉贵,任恒.某10 kW固态发射机结构设计[J].中国高新区,2017(7):28-33.

    (本文来源于《电子产品世界》杂志2022年12月期)



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