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整理人: only(2000-07-05 22:52:47), 站内信件
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【摘要】 相控阵雷达天线的散热，一直是相控阵雷达的关键所在，直接影
响雷达的整机性能。本文针对一种相控阵雷达天线的散热设计方案，提出了用I—
DEAS软件进行仿真计算的验证方法，介绍了仿真计算步骤并给出了实例。
【关键词】 相控阵雷达，天线，散热设计，仿真
Cooling Air Distribution of
One Phased Array Antenna
Ye Jing
Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing 2100
13
【Abstract】 Cooling design of phased array antenna, is always a
key link of phased array radar, directly affects performance of radar
. This paper presents a new verifying method of simulation by using co
mputer, according to cooling design of one phased array antenna, discu
sses simulation steps and gives an example.
【Key words】 phased array radar, antenna, cooling design, simula
tion
1 前言
随着相控阵技术的成熟和深入发展，越来越多的雷达都在采用相控阵天线，
这势必造成雷达天线阵内电子设备量的密集化程度不断提高。一方面，对天线阵
内电子元器件本身所承受的环境条件(如电磁兼容、振动冲击、高低温和腐蚀等)
要求提高了；另一方面，也要求我们改善天线阵内的环境条件，使天线阵内的电
子设备尽可能地提高其可靠性和使用寿命。
相控阵雷达天线阵内的许多电子元器件对高温较敏感，在一般雷达所允许的
高温区环境条件下往往达不到其应有的电性能指标。因此，在相控阵雷达方案论
证时对天线阵进行较为细致的散热设计显得尤为重要。
在计算机软、硬件高速发展的今天，利用合适的软件对相控阵天线进行热设
计仿真计算，无疑是一种有效的设计方法。I—DEAS程序，作为MCAE(机械计算机
辅助工程)软件之一，是目前国内外公认的较为完善且能够供“并行设计”结构辅
助工程使用的设计软件，其内部包含了许多功能模块，可用作三维实体造型、二
维平面绘图、结构刚度分析和热设计计算等。下面所举的就是用I—DEAS软件对一
种相控阵雷达天线进行散热通风量分配的例子。
2 一种相控阵雷达的散热设计概述
2.1 结构概述
天线阵的工作状态如图1所示。天线阵的结构尺寸为3.2m×5.9m×0.4m，天线
单元(约4000个)分布在阵面5m×3m的八边形内；进风风道为渐扩风管，总长约1.
8m，用以对从风机出口的风进行减速和稳流；风量分配管道设置在天线阵的下部
，用来将冷却风分配至散热风道内，占用天线体积为3m×0.53m×0.27m。
图1 天线工作状态
2.2 散热方案概述
图2为天线阵的通风示意图。天线阵的散热功率(包括天线单元的发热功率、
微波耗散功率和太阳辐射等)约为6kW，可局部等效到每个天线单元上，由于微波
耗散功率在全天线阵上是加权的，因此整个天线阵面的散热功率在阵面中心最大
，而在阵面的周边最小。
图2 天线阵的通风示意图
对于天线阵的通风散热方案，以环境空气强迫风冷为首选。由于受阵面空间
尺寸的限制，初步考虑阵面的散热方案不能采用孔板静压通风形式，而只能从天
线阵底部的渐扩风管由两只鼓风机把风送入天线阵，并通过风量分配管道将风量
按设计要求合理地分配给各风道，再从天线阵的顶部排出。
这样的散热方案能否在工程中实施，要通过试验加以验证。类似的通风试验
，从出图、试验件的加工、装配直至试验完成估计需一年以上时间。为了尽量节
省设计时间，在方案论证阶段选用I—DEAS软件对天线阵的散热设计进行仿真计算
，希望能通过计算达到以下目的：
(1)完成各风道的设计风量分配(各风道的设计风量值已由模型试验预先测得
)；
(2)调整各风道的风压值，使天线阵面高温区的风压较高，而使低温区的风压
较低；
(3)使风机出口的风通过渐扩风管和风量分配管道时的压力损失较小；
(4)给出满足(1)、(2)、(3)情况的风机工作点的全压值和风量值，以便在工
程实施时对风机加以选型。
3 用I—DEAS软件进行仿真计算
3.1 模型的建立
首先必须用I—DEAS软件中的Master Model(主模型)模块按照天线的散热方案
建立一个特殊的计算模型。之所以谓其特殊，是指该模型只能用来进行热设计仿
真计算，而不是普通的三维立体造型，也不能用作结构刚度分析。该模型可以想
象为一个零件，零件的材料就是散热的冷却介质——空气。在该模型中所有空气
不能流经的实体处必须去除，但阻挡空气流过的孔板可以简化成面而保留下来。
在这个相控阵雷达的模型建立中，可利用天线阵的左右对称性，将整个天线
阵面的散热设计(共14个风道的风量分配)简化为半个天线阵面的散热设计(共7个
风道的风量分配)，这不但将仿真的规模缩小了一半，而且计算时间也减少了一半
。图3为左半个天线阵的仿真模型。
图3 天线阵的仿真模型
3.2 网格化
在任何有限元的计算中，网格化都是至关重要的一步，它不但会影响总的计
算时间，还会影响计算结果的精度。I—DEAS软件里的Meshing(网格化)模块可以
按照我们所定义的网格长度自动划分网格，并合理地自动连接相邻的不同长度网
格。
在实际操作中可将模型划分为若干个不同的Volume(体积)，每个Volume可以
定义各自的网格长度。网格长度定义是网格化成败的关键。这种定义是有技巧的
，需按以下原则进行：
(1)同一个Volume内的网格长度最好不要超过其内部构造线段中最短线段长度
的2倍；
(2)温度、流速、压强、功率等边界条件或计算结果变化较大的Volume可用来
定义相对而言小一些的网格长度；
(3)相邻两个Volume的网格长度相差不宜超过5倍；
(4)定义完所有的网格后再进行网格化；
(5)仿真模型的总网格数控制在20万个以内，总节点数控制在5万个以内。
根据以上定义网格的原则，可将已做好的天线模型划分为40多个Volume，网
格化后的总网格数为175577个，总的节点数为39164个。
3.3 定义材料
Meshing模块中还需定义各Volume及孔板的材料，如铜、钢、铝等，所有空气
流过处需定义为空气。软件已提供了常用的材料库可供选择，当然也可以针对实
际情况对各种材料的物理性质(如密度、粘度和导热系数等)进行修改。
在此模型里，可根据实际情况将空气(原为22℃)的密度、粘度定义为55℃时
的对应参数值。
3.4 定义边界条件
I—DEAS软件里的ESC模块是热设计计算的关键模块，在该模块中，可以分别
定义风机的类型、进风口的位置及风量、出风口的位置、大气环境的参数(气压、
温度)、风道的表面粗糙度及局部阻力系数等。
这里需要说明的是，如果仿真模型某部分的局部细节确实是按照原样实体建
立的，那就不必定义这部分的局部阻力系数，因为软件可以自动计算其局部阻力
；但如果在建模时无法按原样实体而采取了简化手段(如孔板可以简化成面，金属
丝网和百叶窗可简化成Screen(屏风)，散热器的散热片和布置了各种元器件的风
道可简化成Blockage(阻塞体)等)，则必须定义局部阻力系数。局部阻力系数可以
从各种热设计手册上查取，也可以通过做模型试验测出。
在这个天线阵的仿真计算中，对所有的孔板都采用原样实体建模，而对安装
了天线单元的风道、金属丝网、出风口的百叶窗等分别通过简化成不同的Screen
和Blockage定义了局部阻力系数。
3.5 有限元求解
在ESC模块中设定求解模式(热计算或流态计算)、求解结果的收敛次数及收敛
精度、计算方法(典型或精确)之后就可以进行有限元求解了。如忽略不同计算机
硬件系统及网络数据传输速度的影响，总的计算时间因模型网格数的多少及边界
条件的复杂程度而异。
3.6 查看计算结果(后处理)
计算后的所有结果都保存在一个特定的数据文件中，查看结果前必须在ESC模
块中将数据读入模型，软件自动将各计算数据分别对应地加载到模型的各个网格
节点上。调用Post Processing模块后即可在屏幕上直接观看计算结果，也可通过
各种输出设备(如打印机、绘图机等)绘出所需要的任何图像。
3.7 修改模型
在查看计算结果后往往会发现结果不尽如人意，这时可退回到Master Model
模块中用History tree(历史树)命令进行模型修改。I—DEAS软件将建模、网格化
时的每一步与模型有关的作图操作都记录在Histrory tree命令中以便完成相关修
改，修改完成后用Update(更新)命令重新生成一下，软件会自动实施1～4各步骤
的相应更改，然后即可进入新一轮的仿真计算过程了。在这个热设计仿真过程里
对原模型作了近20次修改才达到较为满意的计算结果。
计算结果与原设计数据的比较见表1。图4、图5分别为计算结果中的流速流态
图和压力分布图，从图中的颜色可直观地看出计算结果量值的变化趋势及相应的
量值。
图4 流速流态结果图
图5 压力分布结果图
表1 计算结果与原设计数据的比较(单位：m/s)
风道序号 1 2 3 4 5 6 7
设计值 7.07 6.82 6.41 5.35 3.96 2.60 1.14
计算值 6.95 6.95 6.47 5.25 4.20 2.80 1.80
进风量为1550m3/h，总的压力损失为1359.6Pa。
4 结论
用I—DEAS软件进行相控阵雷达天线散热风量分配的优势是显而易见的。整个
仿真计算过程，从模型建立到模型的修改直至得到满意的计算结果，只用了两个
多星期的时间，这对于工程应用来说大大简化了原有试验步骤，缩短了试验时间
，也节省了试验经费开支。
虽然取得了一定的成效，但目前尚无法将仿真计算结果与工程实际结果进行
比较，估计两者之间会有一定的误差。但随着在实际工程中的经验积累和对I—D
EAS软件的不断地深入理解，仿真计算结果与工程实际结果将会越来越接近。
作者简介：叶菁，工程师．1992年毕业于湖北汽车工业学院汽车工程系，获学士
学位．丝后至今一直从事雷达结构总体工作，曾担任履带式车载雷达的结构副主
持设计师，并于1996年获电子部特等奖．现为一种相控阵雷达的结构总体负责人
，研究方向是电子设备热设计．
作者单位：南京电子技术研究所 南京 210013
参考文献
1 长春冶金建筑学校等.通风工程.中国建筑工业出版社,1981
2 谭天佑，梁凤珍.工业通风除尘技术.中国建筑工业出版社,1984
3 清华大学等.空气调节.中国建筑工业出版社,1981
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