某车载雷达户外接收机箱的设计

2020-05-08 20:31
刘国维
南京电子技术研究所,江苏 南京 210013
 
摘要:本文论述了某车载雷达接收机的结构设计,着重阐述了户外机箱的结构组成,机箱内、外部走线;机箱户外防雨、防尘、防盐雾;电磁屏蔽等方面的设计。对接收系统进行了详细热仿真,讨论了机箱内组件模块的不同布局,风道截面的大小对组件模块外壁温度的影响以及如何选取合适的风机等。
 
关键词:户外接收机箱;结构设计;热仿真
 
AbstractThis paper discusses the structure design of the vehicle-born radar receiver. The composition, the outer and inner lining, waterproof, dustproof, salt-fog proofing and EMC of the receiver are especially introduced. The thermal simulation of receiving system also be analyzed. The influence of different component laying and wind road size to the temperature of module and how to choose the size of fans are introduced, too.
Key words: outdoor receiver case; structure design; thermal simulation analysis.
 
1. 概述
该机箱是用于车载雷达上安装接收电子模块并保证其正常工作的一种结构件。机箱安装在天线罩外,工作时接收机随天线罩一起被举高XX米。根据技术指标的要求,塔上设备要求空间尺寸小,重量轻,满足户外使用环境:工作温度-40℃~ +55℃(室外);能防雨、防盐雾和灰尘。这对接收机从体积、重量、线缆布局、户外防雨、防盐雾灰尘到接收机本身的散热以及可维修性等方面都有严格的要求。本文以散热为重点其余性能方面为辅进行结构设计上的论述。
 
2. 机箱的结构设计
为了解决上述问题,从结构的形式设计到选材,需全面系统的规划。经论证首先从选择材料上决定采用碳纤维复合材料制作户外机箱箱体,碳纤维具有材质比重轻、高比强度、高比模量、可成型、化学性能稳定等优点。在近10多年来,先进的复合材料结构技术在我国大型运载火箭、导弹的承力结构、卫星结构等方面都得到了广泛而有效的采用。其次是再结合使用条件进行结构上的设计。
 
2.1 机箱的结构及组成

机箱整体结构采用了框架式结构,主要由箱体、导板、风机、空气过滤器、前后门板等构成,机箱轴测图如图1。箱体框架与四周的蒙皮一体构成箱体基本外形,箱体底部设计有进风口和出风口,另有截止波导窗安装位置;导板被固定在箱体框架上;散热过滤器分别固定在箱体上进风口和出风口位置;风机固定于插板上,插在箱体框架的一侧,被锁紧机构固定于箱体上;前、后门板通过铰链固定于箱体上,另一侧用收缩搭扣与锁钩配合,将门板压紧在柜体上而不需其他紧固方式;门板及箱体上特殊配合结构使系统防雨水。组件模块沿导板槽插入箱内,通过锁紧机构进行固定。

图1 机箱在运输状态下的轴测图

 

2.2 机箱内、外走线的设计

线缆进、出机箱分为高频、低频两类信号线缆。对于高频信号线缆,直接经机箱底部(工作状态)绕到机箱前面,通过机箱框架内的走线槽,进入组件;对于低频信号线缆,经机箱底部(工作状态)转接后绕到机箱前面,通过机箱框架内的走线槽,进入组件。机箱内的线缆,组件与组件的线缆连接需经过机箱框架内的走线槽。这样设计的优点是既保证电缆排列整齐、信号损耗小,同时组件模块推拨也很方便。

2.3 防雨、防尘、防盐雾的设计

2.3.1防雨

根据技术指标的要求,该机箱要求在工作和运输两种状态下都能防雨。机箱工作状态位置逆时针转动900变为运输状态。

2.3.1.1机箱底部防雨

进、出机箱的高频线缆,在开口处用导电密封胶封严;低频线缆用防水插座进行转接;进、出风口安装截止波导窗,波导窗内的蜂窝芯带有一定的角度,机箱在运输状态下能阻止雨水的进入。

2.3.1.2机箱前门、后门防雨结构 

箱体与机箱门边相接触的四周设计有防水槽,雨水进入防水槽后靠自身的重力从箱体两侧落下。如图2所示。

1.机箱前门;2.密封圈;3.流水槽;4.簧片;5.箱体蒙皮;6.箱体框架;7.机箱后门

图2 机箱在工作状态下防雨图

2.3.2防尘、防盐雾 
机箱的进风口,出风口采用成熟的某公司室外电子产品专用空气过滤器技术。
 
2.4 电磁屏蔽设计
为了提高机箱的屏蔽性能,机箱加工成形后,在组装前对碳纤维表面进行金属化处理。机箱前门、后门的安装采用图2的结构形式,密封条与屏蔽簧片分成两圈分别安装在门边四周和箱体门框内侧,内圈为屏蔽簧片,外圈为密封条,其安装面和密封条的安装面成90º,保证两者的压紧要求,屏蔽簧片与密封条同时起到屏蔽与密封的作用。密封条采用现场发泡一次成形技术,可在极为严酷的环境下使用而长时间不老化,屏蔽簧片选用铍青铜簧片,因其高导电性、弹性变形能力好、所需压紧力小、耐疲劳,用于保持门与门框的电连续。对进出箱体的所有电缆都作相应搭接处理;对机箱壳体上的转接座加装特制的导电衬垫;每个组件模块都采用单独的屏蔽盒对其进行电磁屏蔽,屏蔽盒与屏蔽盒之间,屏蔽盒与箱体之间保持着良好的电接触。
 
2.5 机箱的维修性能
将天线塔升降到一定的角度,维修人员站在方舱平台上,打开机箱前门,机箱前门内置撑杆将前门撑起超过90度,利用专用工具(专用六角起子及专用提手)快速更换机箱内组件模块;对于机箱内的印制背板,可靠性较高,考虑到万一需要维修,仍将机箱后门设计可以打开形式。
 
3 机箱的热分析
热分析主要考虑机箱的散热问题,散热设计主要是风道的设计及特定的进、出风口条件下能带走的最大热量,以满足模块正常的工作条件。
 
3.1 风道的设计

冷风从箱体底部右侧的进风口通过空气过滤器,以大于3m/s的风速流经组件模块之间的间隙,与组件壳体进行热交换后经箱体左端的风扇、空气过滤器、从箱体底部左侧出风口流出[图3]。设计时箱体底部的出风口大于箱体底部的进风口,箱体底部的进风口的有效面积不小于0.015 m2。设计箱体时,对风道的设计要考虑周到,防止风向短路。

图3 机箱内风道X轴的方向

3.2 热仿真对机箱方案的优化设计.

箱内装有数十只组件模块,模块的总功耗350W,根据机箱内的总功耗及模块数量,除电源组件的功耗较大外,其它组件的取平均值,取单只组件的功率为8W,进风温度为55ºC,考虑到风扇把风压入组件间隙时,有一定的风阻,机箱设计时把风扇与组件间隙的距离设计为50mm,由于走线的需要,组件模块左右之间间隙设计为30mm,对组件与组件上下之间不同的间隙进行建模,取不同的进风量分别进行仿真。