摘 要：简要介绍了超宽带雷达发射机的结构组成及工作特点。在此基础上提出了超宽带雷达发射机结构的总体设计思想，并着重讨论了低压结构、高压结构和冷却系统设计中的关键问题。
关键词：发射机；结构设计；行波管
1 引言
超宽带雷达
集目标特性识别、成像、电子对抗干扰于一体的新体制雷达，具有广泛的应用前景。该雷达发射机具有电压高、功率大、热损耗高等特点。它的末级功率放大器选用S波段大功率倍频程行波管，其阴极高压接近10kV、输出平均功率大于1kW，热损耗约8kW。如此高的电压很容易对发射机的低压部分构成严重干扰，甚至使其无法正常工作。为了保证雷达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低压部分与高压部分之间充分屏蔽隔离。由于发射机热损耗极高，冷却系统的设计对于发射机而言也是至关重要的。优良的冷却系统不但要确保发射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。该文针对超宽带雷达发射机的上述特点和要求，提出一种发射机结构的设计思想，并给出该设计方案。
该发射机主要由低压分机、高压分机、行波管和水冷系统等组成。各分机根据其功耗及耐压绝缘要求选用不同冷却方式：有风冷、油冷、水冷等。其中高压电源和行波管为发射机核心器件，其冷却设计尤为重要。发射主要技术指标见表1，详细组成见表2。
2 发射机柜的结构设计
发射机柜安装在雷达车箱过桥上，水冷机柜在发射机柜右下侧。受车箱形状及安装位置限制，安装完毕后操作
员只能在发射机柜的正前方及右侧面进行操作。由于各分机间存在多根高压电缆，可能危及人身安全，机柜前面板上只布置前级放大器的功率输入电缆和行波管假面板上的功率输出电缆，其余电缆均隐藏在机柜内部，
样机柜外观美观、简洁，操作十分安全。机柜内设计了多根纵横交错的“U”形走线槽，连接处开口相通，使机柜内的线缆走线也隐蔽整洁，所有电缆连接件选用快插型连接件，方便调试与维护。
分配各分机的结构尺寸和安装位置时，着重于安全、美观与配重。机柜左边用于垂直放置行波管组件（约15kg），前装功率输出接口面板；右边分为三层，自上而下，面板高度按比例逐渐增高，较小、轻的分机在上；较大、重的分机在下。高压电源分机由于其重量大约为70kg，在最下方。这样机柜重心最低，且接近水平中心位置，有利于经受车载运输过程中的颠簸振动。
3 低压结构设计
低压结构部分由前级放大器、控制与保护分机、配电转接分机组成。前级放大器内装有固态放大器及二次稳压电源。固态放大器结构采用整块铝板铣削加工而成，正面为微带电路腔体，不同功率量级腔体用隔墙隔开，避免由于腔体效应产生高频自激振荡，通过穿心电容馈电, 避免因电源引起的电磁干扰影响高频信号频谱。底面铣出排型散热器，满足高频晶体管、衰减器等元器件的散热要求。电源线由背面通过穿心电容、孔、洞等引入正面电路，方便并简化电路走线。分机前面板设计波浪形
孔，既美观又利于散热。前面板上只布置一只SMA输入插座连接来自雷达接收机的射频信号，其余连接件如控制、输出插座均布置在左侧板上，使前级输出到末级行波管输入射频线缆长度最短，减小由射频电缆引起的插损。分机维护十分方便，打开行波管输出接口面板即可进行电缆的连接或拆卸。同样，控制与保护分机及配电转接分机前面板均无连接件，只布置指示灯、操作开关等，连接件布置在右侧板上，打开机柜右侧门，不用拖出分机即可进行线缆同接口间的连接、拆卸操作，便于发射机的检测、联试。
4 高压结构设计
4.1 高压电源结构设计
高压结构部分包括行波管、高压电源，高压控制分机。因行波管外购，高压电源由于其高压与大功耗等特点，是发射分机结构设计中的难点、重点之一。发射机高压电源中，收集电压为6～7kV，阴极电压约10kV。高压电源总输出功率为10kW，工作效率约90%。高压电源热损耗为：
P耗=10/90%×(1-90%)=1.1kW （1）
高压电源分机由辅助电源与4路独立的高压电源并联，单路高压电源功率为2.5kW。高压电源分机结构外形如图1所示。外形尺寸为594×286×424(W×H×D单位mm)，重量约为70kg。
高压油箱为防尘密封灌油结构，所充油液为45号变压器油。四路电源单体及均衡网络均并排装于同一箱盖上，单路电源可独立装拆，便于调试和维修。油箱上同时设有多组把手，便于从发射机柜上推进、拉出及搬运等。油箱上设有注油孔、放油孔、通气孔、油液面观察窗以及前后侧设计散热肋片。
高压电源采用铸铝ZL101材料，其具有良好的切削加工性能及铸造工艺性。箱体采取铸造加铣削工艺成形，为筋板结构，重量轻、刚性好。
4.2 高压电源热设计
高压电源的冷却方式为直接浸入式液冷，其特点是可使结构更紧凑，体积缩小，同时兼顾了耐压绝缘的要求。浸入式液体冷却设计准则如下：
(1)所选用的冷却液，其电气性能满足机内元件之间的电气绝缘要求，粘度尽量低，以利于液体的自然对流，降低传热热阻。
(2)机壳解决密封问题。灌注冷却液体后，机壳上部留有一定的空间，适应液体受热膨胀的需要。
(3)机壳具有足够的强度。
(4)元件的配置利于液体的自然对流。
(5)设备的维修方便。
为确保电源的散热要求，高压油箱外部还装有两只PAPST公司的5656S型轴流风扇，以加强油箱外部的空气对流。直接浸入式液体冷却装置，放在自由空间中，每平方厘米有效面积的散热量最大可达0.22 W，外部能更有效的冷却，则可达0.31 W至0.47 W。经计算，油箱热设计满足要求。
也可假定四路电源单体横向温度分布均匀，对高压油箱传热作初略估算，可按内外两部分进行，内部按单路传热量352 W，热阻为功率模块和对应箱内侧壁之间的对流换热热阻，进行节点温度核算。外部按总传热量1.1kW，热阻则为油箱箱壁和空气的对流换热热阻，进行节点温度核算。若假定环境空气温度为20℃时，则箱体表面温度不超过60℃。
高压电源的两路对外输出高压插座选用了瑞士LEMO公司生产的FEA型高压插座，为该公司通用系列产品，价格适中，安装孔径小，且外观精致，插拔可靠、快速并能自锁。与采用自制的高压插头座相比有以下优点：
(1)缩短了研制周期，节约了成本；
(2)提高了可靠性，且插拔迅速，缩短了电源的检修、维护时间；
(3)外形美观、精致，安装孔尺寸小，便于结构布置。
高压电源中所用的高压导线同样采用了LEMO公司的配套产品，优点是耐磨性高、强度好、耐压绝缘可靠。与以往研制或自制的做法相比，同样极大地节省了人力、物力，并给设计人员带来方便。
5 冷却设计
针对发射机各分机的功耗及耐压绝缘要求采取多种冷却方式：前级功放通过散热器自然冷却；高压控制分机为风冷；高压电源为直接浸入式油冷并辅以风冷；大功率行波管采用水冷。行波管为发射机的关键性元器件，其功耗最大，热损耗集中，散热要求最高，水冷是最合适的冷却手段。
行波管的输出功率Pout最大时约2kW，输入激励功率Pin约500mW，行波管效率η约为20%，行波管出水最高水温不得超过85℃。行波管的损耗有两种状态：
(1)连续波输出功率2kW，效率约为20%，此时损耗功率为：
≈2kW/20%-2kW+500mW≈8kW (2)
(2)行波管放大器不加射频激励，行波管无射频功率输出，行波管功耗最大，输入功率全部成为损耗功率为：
为了保证行波管放大器能够长期稳定地工作，需要合理的冷却设计。为此我们用一个风冷式二次冷却单元向行波管供水，吸收损耗功率后的水，回到二次冷却单元，由风冷式二次冷却单元与空气进热交换，完成行波管放大器的冷却散热，水循环示意图如图2所示。
确定所需的冷却水量：设进出口温差Δt为17℃，二次冷却单元供水温度t1为62℃，行波管出水温度为：
浓度为66%乙二醇防冻液密度ρ为1054.7kg/m3，热容Cp为3382.8J/kg·℃，即0.81kcal/kg·℃，所需流量为：
核算行波管的表面温度，行波管发热表面温度低于所在工作水压下冷却水的沸腾温度，可以避免冷却液沫态沸腾，保证行波管能够安全可靠工作。二次冷却单元在所需流量下水压达6kg/cm2，根据水的沸点随压力变化关系曲线，可得水沸点温度为167℃，高于行波管允许的最高出水温度，设计是安全可靠的。
6 小结
对工程化的车载雷达行波管发射机结构设计和冷却方案作了详细的阐述，现雷达发射机已调试完毕，其具有良好的工作稳定性和可靠性。
考文献
1 张兆光等. 电子设备冷却设计手册. 电子工业部第十四研究所，1983
2 廖复疆, 吴固基等. 真空电子技术. 北京：北京航空航天大学出版社，1997
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