双重锥形增压独立散热风道及单兵便携式雷达总体结构的制作方法

1.本发明属于机械和电路两个领域，涉及一种具有双重锥形增压独立散热风道及其单兵便携式雷达总体结构，该结构可应用于自重轻、体积小，同时对抗冲击性能和散热要求高的雷达。


背景技术：

2.区别于传统单兵雷达，新型单兵便携式雷达需适应多种空投空降形式，空降后单兵携行，遂行完成地面及低空目标的侦查监视任务。
3.根据使用需求场景，抗冲击能力是保证单兵便携式雷达适应多种空投空降环境的前提，在设计重量不受约束的条件下，雷达的抗冲击性可以通过增加设备的结构重量来实现。但为了便于携行背负以及机舱和地面的搬运、架设及撤收，单兵便携式雷达的基本要求是重量轻，尺寸小，连接与操控简单，因此其在总体布局，结构设计方面亦需着重于结构减重及一体化集成设计以实现轻量化、小型化要求。
4.此外，由于三防设计要求雷达的电子设备必须在密封环境中工作，箱体内部体积小、空间紧密，易出现大的电磁干扰，加上单兵便携式雷达工作频段高、模块高度集成，导致收发组件的效率较低，80％的输入功率均转化成了热量。如此高的热量若不能及时有效地散出，将会极大地影响雷达工作性能。因此，为保证单兵便携式雷达高效可靠地工作，有效的热控设计及电磁密封设计亦必不可少。
5.综上，如何在尺寸重量受限的条件下使雷达依然能在高热流密度、强冲击环境正常工作是新型单兵便携式雷达结构设计需解决的难题。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双重锥形增压独立散热风道及单兵便携式雷达总体结构。
8.技术方案
9.一种双重锥形增压独立散热风道，其特征在于由箱体风道导热板与风道冷板装配形成的独立中空腔体，所述箱体风道导热板上设有上下两段散热翅片，上部散热翅片位于收发组件与波控/电源单元的热源位置处；下部散热翅片位于微波单元的热源位置处；所述上部散热翅片设计成高低递减以形成对称锥形截面散热翅片阵列组件，类似漏斗的增压效应；所述下部散热翅片在长度方向上设计为不规则的锥状结构；所述风道冷板包括封板、数字处理冷板，所述封板中设有安装数字处理冷板的凹槽，定位定向设备控制板、滤波器和数字处理分系统装在数字处理冷板的一面上，数字处理冷板的另一面设有散热翅片，数字处理冷板散热翅片与下部散热翅片位置在同一高度；风道的进风口位于箱体左、右侧，分别通过上部散热翅片、下部散热翅片，从位于下部散热翅片下部的四个风口处出。
10.本发明进一步的技术方案：所述箱体风道导热板采用层叠薄壁设计，将风道导热
面根据各模块的厚度尺寸进行多次水平翻折，利用“折纸承重”原理，增大接触面的刚性，同时也可弥补各模块高低不一造成的安装不一致。
11.本发明进一步的技术方案：所述风道冷板采用碳纤维、铜网和铝合金复合成型的工艺方法，使其既满足高热密度散热要求，同时又具备良好的刚强度和电磁屏蔽性能。
12.本发明进一步的技术方案：风道的进风方式采用迷宫式的设计，左侧板、右侧板的进风口在箱体入风口的下方，在进风栅格的最下部设计排水栅格，利用箱体侧壁的加强筋堵住下部开口，即使有水汽进入左右侧板的栅格，由于重量作用，水滴会在重力作用下从排水栅格流出。
13.本发明进一步的技术方案：所述上部散热翅片锥形的角度为140
°‑
168
°
之间。
14.本发明进一步的技术方案：所述下部散热翅片锥形的角度为70
°‑
80
°
之间。
15.一种单兵便携式雷达总体结构，其特征在于：包括收发机箱，收发机箱以箱体风道导热板为界在结构上划分为前后两部分腔体，分别隔离放置强电和弱电模块；箱体、天线罩和密封绳形成前腔，前腔装有射频前端分系统，包括天线阵面、微波单元、波控/电源单元和收发组件，集成于射频前端安装板上，射频前端安装板与箱体之间的采用m5紧固件；箱体和后盖板形成后腔，后腔装有定位定向设备控制板、滤波器和数字处理分系统，集成于风道冷板上。
16.本发明进一步的技术方案：还包括三脚架，所述的收发机箱放置于三脚架上便于携带。
17.本发明进一步的技术方案：m5紧固件采用钛合金轻质材料，减轻紧固件重量。
18.有益效果
19.本发明提供的一种双重锥形增压独立散热风道，风道由箱体和风道冷板组成，与外界连通，各分系统均密封在收发机箱内，不直接接触风道，利用传导与强迫对流风冷的方式，将大功率器件处的散热翅片设计成高低递减以形成对称锥形通道，增大进风口处的风压，合理地分配了冷却流，出风口处利用风机将热量排出，解决了收发箱体内大功率器件的散热密封问题。由于散热风道自身具备较低的热惯量，环境温度的变化经过较大的阻尼才能传递到机箱内部，相对来说，单兵便携式雷达各分系统所受的环境交变应力也较弱，将湿热试验的温循带来的应力影响降到最低。
20.本发明还提供一种单兵便携式雷达总体结构，整个机箱采用全密封设计，将天线辐射腔与后处理腔体之间隔开，由于雷达天线辐射腔需要透波，因此仅实现水汽密封；通过独立散热风道结构设计，天线安装金属背板、密封绳、箱体及后背板将整个后处理腔体的雷达分系统密封与外界隔离，实现后处理腔体区域的电磁密封与水汽密封，保证了雷达设备的防水防尘以及电磁兼容要求。
21.本雷达结构从整机角度出发，权衡各个设计约束，使其既实现功能，又尽可能减重。单兵便携式雷达重量、体积要求严苛，散热环境受限，且需适应空投空降的强冲击环境，在结构上不容易实现。雷达结构采用全密封设计，满足了单兵便携式雷达设备的防水防尘以及emc要求；收发箱体采用薄壁层叠结构，既保证了抗冲击性能又减轻了箱体重量；采用基于双重锥形增压独立散热风道的集成散热设计，不仅解决了收发箱体内大功率器件的散热问题，还省去了多余的连接器和线缆，合并了印制板元器件，减轻了重量和功耗；在满足高效散热、抗强冲击的技术要求的同时，雷达箱体结构重量仅为9.9千克，相比自筹原理样
机减重约10％，雷达箱体结构轻量化小型化达到设计要求。
附图说明
22.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
23.图1为雷达总体结构图；
24.图2为收发机箱总体结构图；
25.图3为主机组成结构轴测图(前)；
26.图4为主机组成结构轴测图(后)；
27.图5为箱体框架式结构轴测图；
28.图6为箱体层叠薄壁翻折结构示意图；
29.图7为锥形风道结构与冷却流方向示意图；
30.图8为独立风道腔及热源位置示意图；
31.图9为射频前端分系统在机箱上的安装位置图；
32.图10为主机的前腔区域射频前端分系统组成及安装位置图；
33.图11为主机的后腔区域各分系统组成及安装位置图；
34.图12为风道冷板结构示意图；
35.图13为定位定向设备结构示意图；
36.图14为定位定向设备结构示意图；
37.图15为风机结构及安装位置示意图；
38.图16为侧板通风孔与排水槽位置细节图；
39.图17为通用快锁机构示意图；
40.图18为俯仰云台示意图；
41.图19为伺服机构示意图。
42.图中，1-箱体；1-1箱体风道导热板；2-天线罩；3-右侧板；4-天线阵面；5-右定位定向设备；5-1左安装支架；5-2左天线；6-左定位定向设备；6-1右安装支架；6-2右天线；7-上盖板；8-望远镜；9-水泡装置；10-风道冷板；10-1封板；10-2数字处理冷板；11-左侧板；12-风机；13-后盖板；14-微波单元；15-波控/电源单元；16-收发组件；17-定位定向控制板；18-滤波器；19-数字处理分系统；20-通用快锁机构；21-俯仰云台；22-伺服机构；23-三脚架。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.一种具有双重锥形增压独立散热风道的新型单兵便携式雷达总体结构，在整体布局时，收发机箱以风道面为界在结构上划分为前后两部分腔体，分别隔离放置强电和弱电模块。箱体1、天线罩2和密封绳形成前腔，前腔装有射频前端分系统，包括天线阵面4、微波单元14、波控/电源单元15和收发组件16等，集成于射频前端安装板上，射频前端安装板与
箱体之间的m5以上紧固件采用钛合金轻质材料，减轻紧固件重量；箱体1和后盖板13形成后腔，后腔装有定位定向设备控制板17、滤波器18和数字处理分系统19，集成于风道冷板10上。该两部分集成设计略去了功能相同的元器件，大量减少连接线缆，实现了线路器件结构上的集成化设计。
45.箱体1作为收发机箱结构的主体以及所有分系统的防护壳体，选用高强度航空铝合金材料(7075t651)，采用箱体风道导热板1-1及左右壁、上下壁整体成型的框架式承重设计。箱体1与左侧板11、右侧板3、上盖板7、风道冷板10结合固定封闭成闭口薄壁构件形式，增强结构的抗扭转和抗剪切能力。权衡单人背负的具体重量、尺寸及抗冲击性能指标要求，箱体风道导热板1-1及左右壁均采用层叠薄壁设计，将风道导热面根据各模块的厚度尺寸进行多次水平翻折，利用“折纸承重”原理，增大接触面的刚性，同时也可弥补各模块高低不一造成的安装不一致。由于该层叠薄壁技术能显著增加箱体刚性，因此能实现最大限度地减小壁厚。本雷达箱体结构除承重骨架安装面外，其余承重的主体壁厚为0.8毫米，非承重面壁厚仅为0.5～0.7毫米，经过设计优化后的箱体重量仅为1.56千克，加权后的平均壁厚0.7毫米，一阶固有频率高达120赫兹，具备很好的强度和刚性。由于壁厚太薄，为了减小残余应力以及工件加工变形，该机箱加工需专用的工艺工装，箱体结构尽量对称设计，使得工装可重复使用。箱体部分主要采用型腔铣的加工方法，薄壁件有18个型腔，加工时选择合理的铣削路径，在铣削时各框应力分布较均匀，且刀具路线、走刀轨迹和刀具空行程较短，保证加工精度。箱体1顶部上盖板7装有望远镜8和水泡装置9，望远镜8用来进行光电轴一致的标定，其安装具备方位和俯仰的调整功能。安装支架用来完成其方位和俯仰调整功能，调整轴均为圆柱转动面，调整到位后，通过m4螺纹摩擦力预紧实现其位置固定。水泡装置9用于雷达工作时基准的初次标定和二次确认。天线罩2与后盖板13可以拆卸，以便完成整机调试。左侧板11和右侧板3安装在机箱的两侧面，左、右侧板的作用是环境防护以及安装收发机箱的对外插座。
46.天线罩2安装在天线阵面前部，是保护罩内天线系统或整个微波单元系统免受外界损伤和破坏的功能结构件，具有透波、承载、抗冲击、隔热等功能。天线罩2采用a夹层结构，具有较高的比强度，在宽频范围内具有较好的传输性能。其设计参数如下：
47.1)内蒙皮:厚0.2毫米，介电常数4.3；损耗正切小于等于0.023；
48.2)外蒙皮:厚0.2毫米，介电常数4.3；损耗正切小于等于0.023；
49.3)蜂窝芯:厚2.6毫米，介电常数1.06，损耗正切0.0035。
50.根据三防设计要求，雷达的电子设备必须在密封环境中工作，由于小型化的设计约束导致体积小、空间紧密、易出现大的电磁干扰，因此将机箱分为天线辐射腔与后处理腔体两个彼此密封安装的前后腔体，避免了两者之间的电磁干扰。由于雷达自身需要透波，且外界不同波长的辐射波也需能通过天线罩进入前腔，因此在天线罩2法兰面与箱体1之间设计密封绳，使得天线辐射的前腔仅具备水汽密封功能。从天线裂缝注入的辐射能量，通过收发组件的隔离器、限幅器、环形器进行电气隔离，并用密封绳将射频前端安装板与收发箱体连接，完成后腔其余中频分系统与天线辐射腔的电磁屏蔽。箱体后腔设计有四个走线空间槽，用来实现波控/电源单元15和数字处理分系统19、微波单元14之间的电缆连接。碳纤维结构后盖板13的最内层为导电铜网，该后板与金属铝材料的雷达箱体之间填充中空d型导电密封绳，同时风道冷板10上也安装了导电密封垫，因此后盖板13、箱体1、射频前端安装板
组成的密封腔体使得整个后腔的中频分系统处于自身频段的良好电磁环境，包括电缆接插件等无需做特殊的屏蔽处理，这在很大程度上减轻了连接电缆防护套的重量。天线与安装箱体之间的连接采用多个固定凸台和中空d形垫片屏蔽密封绳完成电磁密封，定位凸台的平面度与平行度均在0.1毫米以下，保证了天线安装的平面度要求，预留压紧间隙为0.5毫米，确保密封绳能完全实现电磁屏蔽功能。天线辐射腔的水汽密封，独立风道以及后处理腔体的电磁密封与水汽密封，共同形成了单兵便携式雷达整机的密封环境。
51.风道冷板10由封板10-1和数字处理冷板10-2组成，数字处理冷板10-2与封板10-1之间靠铆接完成，两者的结合面涂导电密封胶填充间隙。由于定位定向设备控制板17、滤波器18和数字处理分系统19装在风道冷板10上，因此冷板预留其安装零件。风道冷板10采用碳纤维、铜网和铝合金复合成型的工艺方法，使其既满足高热密度散热要求，同时又具备良好的刚强度和电磁屏蔽性能。其中，封板10-1采用碳纤维材料铺覆铜网的形式，利用紫铜网优异的高频电磁屏蔽和耐环境腐蚀特性，克服碳纤维制件电磁屏蔽效能较差的不足；数字处理冷板10-2采用6061铝合金材料，具备良好的导热性能，其上阵列有多个散热翅片，专用于数字处理分系统19的散热，为了便于工程实现，高度与长度方向翅片在冷板上直接加工，冷板另一面通过柔性导热垫紧贴数字处理分系统19，此时数字处理分系统19的热量通过风道外壁以热传导的方式以较低的热阻传递到风道内壁的散热翅片上，利用强迫风冷的冷却流通过翅片表面将热量带走。数字处理冷板10-2外面设计有高低不一的垫块，与数字处理分系统19印制板上的发热器件高度互补，使数字处理分系统19印制板安装后发热器件高度一致，可通过0.5毫米厚度的导热垫紧贴在冷板上。相比全部采用铝材料加工的风道冷板，上述结构实现方式可以节省重量约200克，大大降低了整机结构风道密封件的重量。
52.单兵便携式雷达具有防沙尘要求及18m/s风速下的淋雨要求，且考虑到雷达结构散热空间受限，箱体内部需散热的模块较多，模块的散热安装面较大，传统散热风道无法满足本雷达散热需求，设计了一种双重锥形独立风道来增强散热和环境防护能力。该风道是由箱体风道导热板与风道冷板10通过螺纹连接的形式装配形成的独立中空腔体，风道内表面焊接有上下两段高密度轻质的散热翅片，风道冷板上部的散热翅片位于收发组件与波控/电源单元的热源位置处；下部的散热翅片位于微波单元、数字处理分系统、滤波器等热源位置处，各模块产生的热量通过柔性导热垫传递到风道面上。
53.考虑到风道自身的特点，由于传统风道两侧进风会使两侧风速大而中间风速小，造成风压不均匀，因此按照冷却流的方向，将上部散热翅片设计成高低递减以形成对称锥形截面散热翅片阵列组件，锥形布置的轮廓形成的风道结构，类似漏斗的增压效应，保证了各收发组合上方散热翅片的冷却均匀，同时降低了风阻，减小风压损失。由于扩散角的值太大或太小均会使管道的沿程长度增加，沿程能量损失变大，因此在实际应用中，通常将扩散角的值限定在6
°‑
20
°
之间，此时产生的能量损失最小。本雷达经过反复优化设计，确定最佳扩散角度为18
°
，该扩散角度保证腔体内通过阵列散热翅片的风量几乎是均匀的。
54.下部散热翅片靠近出风口处的四个风机12，风机的位置分布使得中间翅片处较热，且箱体两侧风阻较大，因此本雷达将风道内的翅片在长度方向上也设计为不规则的锥状结构，形成第二重对称锥形增压风道来局部改变流场，增大风机对流换热的效率。此外，由于雷达内部尺寸空间较小，将散热翅片在高度方向上倒斜角以减小风阻损失。由于风道和散热翅片的共用，合并了多个分系统的散热零件，节省了大量的散热结构，极大的降低了
整机散热结构的重量。散热翅片厚度仅为0.4mm，且经过结构形式的优化，相比优化前可减重150g。
55.风道的进风口位于收发机箱左、右侧板栅格结构处，由于风道设计需要过滤进出风口的雨水及砂尘等异物，风道的进风方式采用迷宫式的设计，左侧板3、右侧板11的进风口在箱体入风口的下方，在进风栅格的最下部设计排水栅格，利用箱体侧壁的加强筋堵住下部开口，即使有水汽进入左右侧板的栅格，由于重量作用，水滴会在重力作用下从排水栅格流出，该设计避免了液态水直接进入箱体的密封风道，同时在雷达架设撤收或者使用、运输过程中发生角度倾斜时密封风道依然具有防水功能，此外也能防止杂物、尘土等进入箱体中空的风道后引起灰尘等堆积。气流通过左侧板3、右侧板11与箱体1结构形成的腔体，从箱体1上部左右两侧入风口进入机箱的独立散热风道，机箱底部出风口处安装四个风机12，工作时在散热风道内产生气流，气流与散热翅片进行热交换，从而将散热翅片上的热量排放到外部空间。风机12自带转速反馈与控制功能，数字处理模块dsp芯片上有温度传感器，当检测到传感器表面温度低于-10
°
时，风机12停止工作。风机12安装在可拆卸的风机板上。为了提高风机对流换热的效率，在箱体1安装风机板的边缘部位处需做密封处理，采用密封胶填充零件装配产生的缝隙。
56.定位定向设备安装在单兵便携式雷达收发箱体的两侧，主要由左安装支架5-1、右安装支架6-1，定位定向设备控制板17，左天线5-2、右天线6-2结构组成。由于定位定向设备天线的基线要求较大，所以在机箱左右两侧设计左、右安装支架，将天线基线距离拉开。安装支架采用碳纤维成型，镂空结构即减轻了重量，又降低了使用时的风阻，其余结构材料选用7075铝合金硬质阳极化处理，具备抗腐蚀和重量轻、耐磨性好的优点。锥形定位螺母锁紧结构确保了重复安装定位的精度。该结构接口为圆上下切边的异形接口，通过安装螺母的预紧，可以实现轴向的紧固，位置的复现靠异形圆的线接触实现。该结构可实现定位时的轴向固定和径向限位，安装螺母旋紧后，安装位置唯一。定位定向设备通过快速锁紧定位机构实现反复定位的精确性，左、右圆柱天线底部为sma射频连接器，通过连接器的安装螺纹，旋转安装在支架末端。
57.俯仰云台21采用m12螺母摩擦力锁紧，锁紧力矩大，简单可靠，满足重量要求。左右侧面设计有俯仰调整范围标示，俯仰范围为-5
°
～ 15
°
。锁紧手柄末端设计有六方预紧扳手槽，需要时可同时采用标准内六方扳手进行预紧。俯仰云台21设计有两个轴，一个是俯仰转轴，一个是锁紧轴。由于云台靠摩擦力锁紧，且云台转动轴在自身已经润滑好，所以不需要特别将润滑剂涂抹到云台球体上。云台各重要部件均已经超硬表面处理，表面性质良好而不需再以其他额外保养。
58.伺服机构22主要分为上转台和下转台，上转台可以实现360度旋转，实现雷达全方位扫描、大范围区域警戒的需求。转台通过径向密封绳和纵向密封绳完成转台旋转运动时的动密封。
59.通用快锁机构20采用机械锁紧，起快速连接作用。其由上快装板20-1、下快装板20-2组成，上快装板20-1分别安装在单兵便携式雷达底部、伺服系统22底部。下快装板20-1分别安装在俯仰云台21顶部、伺服系统22顶部和三脚架23顶部，各连接单体均预留3/8英寸螺纹接口，与市面上通用的三脚架快装板结构的接口完全一致，具备互换性，完成不同工作模式的快速切换。
60.三脚架23架设高度1600毫米，运输长度500毫米。伸缩管材料为碳纤维。其余采用的是轻便高硬度的航空级铝合金材料6061(美军标3级硬质阳极氧化表面处理技术)。采用空心变截面结构，精密数控加工保证器材调节的高精准度。选择优质强韧的t600直径20毫米的碳纤维管，同时在伸缩管脚衔接部采用一体式40毫米的加长垫片，可以增大管间的重合面，以确保在管脚完全拉开时的稳定性和连续性，受力后不易弯曲。
61.单兵便携式雷达收发机箱由箱体、风道冷板、天线罩、后盖板、左侧板、右侧板、上盖板等结构件组成。箱体是主机所有分系统的防护壳体，兼有环境防护的功能，射频前端分系统安装在收发机箱前腔射频前端安装板上，数字处理分系统安装在收发机箱后腔的风道冷板上。
62.考虑到雷达携行背负的重量要求，该雷达主要通过以下措施来实现轻量化小型化。
63.1)轻型材料应用。收发机箱箱体选用7075(t651)航空铝合金材料，该材料既轻，又具备良好的力学性能；m5以上紧固件采用钛合金轻质材料；定位定向设备安装支架、主机后盖板、左右侧板及上盖板采用高强度轻质碳纤维复合材料等；
64.2)轻型化减重设计。箱体结构除承重骨架安装面外，其余承重的主体壁均采用薄壁高筋结构；天线罩、后盖板、风道冷板采用变厚度/变材料结构；安装支架采用镂空结构；三脚架的管体采用空心变截面结构等；
65.3)线路元器件集成设计。为了满足电性能和重量指标的要求，考虑尺寸空间的限制，馈线网络采用了波导串馈的形式，主波导及副波导共壁设计，中间通过耦合缝实现能量分配，有效节省了尺寸空间；将接收和频综单元集成设计为一个微波单元，两者之间的信号传输采用焊线完成，既增加了信号传输的可靠性，又省去了不必要的射频同轴连接器以及半刚线缆；射频前端分系统和数字处理分系统分别共用硬件，通过软件分时实现功能，既便于信号传输又略去了功能相同的元器件，省去了多余的连接器和线缆，减轻了重量和功耗，实现了线路器件结构上的集成化设计；
66.4)散热风道集成设计。各分系统共用风道和散热翅片，节省了大量的散热结构，极大地降低了整机散热结构的重量。
67.考虑到雷达空投空降过程的抗冲击性能要求，该雷达在轻量化条件约束下主要通过以下措施来提高抗冲击性能。
68.1)为了增大箱体结构的动强度，箱体结构一体成型，采用框架式承重设计，除承重骨架安装面外，其余承重的主体均采用层叠薄壁设计技术。多个层叠薄壁翻折结构设计，增加了许多类框架结构，在减轻重量的前提下增大了结构的刚性，实现模态偏移，使一阶固有模态改变，避开空降与运输状态下安装天线阵面的大面变形模态，抑制了冲击带来的内部影响；
69.2)机箱所采用的高强度航空铝材料、碳纤维材料能满足抗冲击的过载要求；
70.3)风道冷板采用碳纤维、铜网和铝合金复合成型的加工方法，使其在轻量化的基础上满足高热密度散热要求，同时具备良好的刚强度；
71.考虑到雷达空间尺寸受限，空间紧密，通风散热难度高的问题，该雷达在轻量化条件约束下主要通过风道设计来提高散热效率。
72.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。