新一代天气雷达系统热设计与技术分析

摘要 根据新一代天气雷达设备的工作环境和运行状态，阐述了雷达系统热设计的工作原理和结构特征，主要对雷达系统发射机的热通道和散热系数进行科学评估，汇总2008～2010年河南省5部新一代天气雷达的热报警数据，通过对运行环境中热报警信息的统计和分析，认为机房布局、制冷设备、冷热通道、数据监控、制冷材料等项目需要改进和调整，提出将供电、制冷、监控和管理组件整合成全面、一体化的解决方案，同时提出下一代热设计与分析技术的重点和发展方向。
关键词 电路与系统；热可控性；冷风道；对流换热；可测性

    根据中华人民共和围国家军用标准(GJB／Z 27-92)规定，热设计的目的是控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下，不超过标准及规范所规定的最高温度，最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并与产品的可靠性要求及分配给每个元器件的失效率相一致，温度变化可能改变电子芯片及电路板组件的电子特性和物理特性，从而引起运行失败或故障。新一代天气雷达系统的热设计是指电子设备的耗热元器件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以便对它们的温升进行控制，从而保证雷达设备或者整个机房稳定、可靠地工作。

1 雷达设备散热结构
1．1 雷达运行环境标准
    随着芯片集成度和功率密度的日益提高，设备的温度成为系统工作稳定和性能提升的障碍，设计人员，除了成功实现产品功能之外，还需考虑产品的稳定性、工作寿命和环境适应能力等，而这些都与温度有着直接或间接的关系。
    温度和故障率的关系成正比，可以用式(1)表示
    F=Ae-E／KT       (1)
    其中，F=故障率；A为常数；E为功率；K为玻尔兹曼常量(8．63e-5 eV／K)，T为结点温度。
    新一代天气雷达机房温度根据美国采暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE TC9．9(American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc)标准制定，保持在72F／22C，为保证气象雷达系统稳定可靠地运行，对运行环境提出了较高的制冷要
求，必须建立精确的制冷管理系统。自1965年以来，气象雷达布局结构和产品性能在过去的几十年间发生了质的变革，但机房数据中心的冷却设计却变化不大，基本采用强迫风冷和房间级制冷方式，现在全国气象部门正在使用的新一代天气雷达现状，就是2～3台空调，提供平均制冷功率不小于30 kW的制冷方案。本数据资料中的5个雷达站所用制冷功率均在28 kW以上，机房内雷达设备主要消耗功率18．4 kW。

    其中发射机速调管是系统的主要发热体，速调管放大器的增益约为50 dB，经电弧及反射保护器后，发射机的输出功率不小于650 kW。全固态调制器是发射机的重要组成部分，它将交流电能转变成直流电能，转变成峰值功率约2 MW的脉冲能量，调制器输出的2 MW调制脉冲馈至高压脉冲变压器初级，经脉冲变压器升压，在其次级产生60～65 kV负高压脉冲，加在速调管阴极，提供速调管工作所需的电压和能量，称之为束电压脉冲。与之相应的流经速调管的电流脉冲称为束电流脉冲，束脉冲所包含的能量中，约1／3转变为发射机的输出高频能量，约2／3消耗在速调管收集极和管体，使其发热，速调管风机用于耗散这部分热量，主要采用强迫风冷的散热结构。
    速调管插在聚焦线圈之中，其电子束大致位于线圈的中心线上，磁场电源将约22 A的直流电流输入聚焦线圈，从而产生沿速调管轴线的直流磁场，磁场阻止电子发散，而将其聚成细束，磁场电源输出的能量，全部消耗在线圈上，使其发热。发射机机柜温度报警阈值设置为60～80℃之间，当超出设定的阈值时，雷达系统报设备方舱过温信息。图1为气象雷达发射机原理框图。

1．2 雷达系统热分析
    房间级制冷是实现数据中心冷却的传统方法，在这种方式中，通过一台或多台并行工作的空调系统将冷空气输送到数据中心，空调系统对雷达设备的作用就是高效率地收集这些复杂的热气流并将其所携带的热量排出机房，这种方式的工作原理是空调机不仅提供原始制冷量，还要充当一个大型混合器，在机房内不断搅拌和混合空气，使之达到均匀的平均温度，防止热点出现，新一代天气雷达发射机部分采用的是强迫风冷的散热结构。
    根据牛顿冷却公式，流体被冷却时
    q=h(tf-tw)      (2)
    其中，tw及tf分别为壁面温度和流体温度；用△t表示温差，并取△t为正，则牛顿冷却公式表示为
    q=h△t或Q=Ah△t     (3)
    其中，h为比例系数，单位W／m2K，代表单位温差作用下通过单位面积的热流量，主要与冷热通道结构、工作电压、风流量、噪声、材料、对流结构、传导系数等因素有关；q为热流密度，单位W／m2；t为温差，单位K。
    强迫空气冷却是最常用的冷却方式之一，其换热系数一般在10～30 W／m2℃范围内，它主要应用在热流密度不超过0．31 W／cm2的设备中，在热设计中，根据热功耗、环境温度、元器件工作温度等因素来设计风道和风量，依据工作电压、气流量、风压损失、噪音等情况来选择风机和安装方式，并合理安排发热元器件位置，这种冷却方式具有结构简单、设备量少、成本低等优点，现有的新一代天气雷达发射机柜制冷方式采用一个离心风机和3个轴流风机的强迫散热方式。

2 新一代天气雷达热报警数据分析
2．1 温度报警分析
    作为新一代天气雷达可靠性热设计的重要指标，机房温度和设备方舱超温报警是影响热可靠性的重要参考数据，汇总分析2008～2010年河南省5部CINRAD SB雷达的报警信息，由图表看出，温度报警在影响系统的所有报警中，占36．5％，是影响雷达设备可靠性的主要因素，冷却系统不稳定、散热结构不合理、误操作和人为原因是造成报警多的主要原因。

2．2 需要解决的问题和难点
    分析新一代天气雷达运行环境的报警数据，从空调机功率、制冷量分配、空调布局、风机参数、噪音、设备冗余等，存在着可能性难题，为提高整个雷达系统的稳定性和可靠性，对现有机房环境中的制冷结构和散热方式需要进行优化和改进。

3 冷却系统的调整和优化
3．1 动力环境中各类信息的采集和监控
    雷达运行环境级别主要包括：设施温度与湿度测试；设备布置与气流流型；设备制造商的热负荷与风量要求值等内容，增加机房动力环境监测单元，实现对环境的视频监控与信息采集，监测关键点的工作温度，包括环境温度和热点温度，确保系统稳定运行。
3．2 冷热通道调整
    对系统的冷热通道进行的结构优化，采用冷通道封闭管理，精确分配制冷量，按需动态送风的模式，控制气流是制冷系统设计的主要目标。为解决这一问题，实现将空调系统与机柜排或单独的机柜集成，确保向数据中心或发射机柜内的所有发热设备提供所需的输入温度和气流，这样可以使可预测性大大提升，并解决了更高密度的散热和提升效率。
3．3 机房结构优化
    随着精确制冷的发展，出现了新的行级或机柜级制冷的设计方式，热设计正逐步形成从机房级制冷转向行级制冷的趋势。通过高架地板和修改线缆桁架，提供落地式和吊顶式空调送风，紧靠热源的制冷方案可实现更高的能效目标。在线缆架上、风机入口处提供精确的制冷量分配，通过制冷容量与热负载精确匹配，在适当的时间和地点部署制冷设备，将冷空气分配至各负载，防止冷热空气混合和消除热点来降低制冷损耗，使热设计最优化，以提高可靠性。

4 结束语
    根据新一代天气雷达系统的工作原理和系统架构，分析3年来6部雷达的状态数据，找出报警成因和故障疑难点，实现对工作环境的数据采集和视频监控，通过对制冷设备、冷热风道、机房架构等设备和布局的优化和调整，确保向数据中心或发射机柜内的所有发热设备提供所要求的输入温度和气流，调整布局，降低热点，提高热设计单元的可测性、可靠性和稳定性，延长新一代天气雷达系统平均无故障工作时间(MTBF)，提出了将供电、制冷、监控和管理组件整合成全面、一体化的解决方案。模块化、可扩充、预工程化和标准化的解决方案是下一代天气雷达热设计的行业标准和发展方向。