高建海，韓桂梅，賈彥輝

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050081）

傳統(tǒng)便攜站天線外形笨拙、機(jī)動(dòng)性差、安裝調(diào)試繁瑣費(fèi)時(shí)，從而制約了通信系統(tǒng)發(fā)展的步伐。雖然實(shí)現(xiàn)天線的高性能仍是目前衛(wèi)星通信便攜站市場(chǎng)的主流趨勢(shì)，但是由于國(guó)內(nèi)外各大公司激烈的競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)便攜站天線的外形、重量及體積也提出了更高的需求。

箱式便攜站就是在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中應(yīng)運(yùn)而生的一款產(chǎn)品，具有便于攜帶、展開(kāi)迅速、傳輸速率高、外型美觀等特點(diǎn)。但是緊湊的結(jié)構(gòu)勢(shì)必給散熱帶來(lái)一定困難，因此必須對(duì)其進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。箱式便攜站的熱設(shè)計(jì)是指對(duì)其內(nèi)部各功能單元采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證便攜站系統(tǒng)正常、可靠地工作［1］。

1 箱式便攜站的組成及內(nèi)部布局

該箱式便攜站系統(tǒng)主要由天線反射面、饋源及支撐、天線座架［2］、天線伺服單元、功放單元、LNA單元、變頻單元、調(diào)制解調(diào)單元、IP接入單元、電源等構(gòu)成。

該箱式便攜站在結(jié)構(gòu)上分為箱蓋及主箱體兩大部分。天線收藏時(shí)，天線反射面、饋源及支撐會(huì)向下轉(zhuǎn)動(dòng)收藏于箱蓋與主箱體之間的空間內(nèi)。天線座架、天線伺服單元、功放單元以及其他功能單元均安裝在主箱體內(nèi)。箱式便攜站收藏狀態(tài)下的整體外觀，如圖1所示；箱式便攜站工作狀態(tài)下的整體外觀，如圖2所示。

圖1 箱式便攜站收藏狀態(tài)外觀圖

圖2 箱式便攜站工作狀態(tài)外觀圖

由于功能單元數(shù)量較多，且便攜站主箱體內(nèi)的空間又比較緊湊，根據(jù)各功能單元在功能上的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了合理的空間布局，且局部采用了上下兩層的結(jié)構(gòu)形式（在調(diào)制解調(diào)單元的下面安裝有天線伺服單元及變頻單元）。主箱體內(nèi)部布局，如圖3所示。

圖3 主箱體內(nèi)部布局

2 散熱問(wèn)題及散熱設(shè)計(jì)

為了減輕重量達(dá)到單人便攜的目的，便攜站的整個(gè)主體外殼采用工程塑料加工而成。各功能單元自身在工作時(shí)都會(huì)散發(fā)大量熱量，且各功能單元又都有相應(yīng)的工作溫度范圍，當(dāng)箱體內(nèi)的環(huán)境溫度超出任何一個(gè)功能單元的工作溫度上限時(shí)便會(huì)影響整個(gè)便攜站系統(tǒng)的性能。由于工程塑料的熱傳導(dǎo)率較低，不利于主箱體內(nèi)部熱量向外界環(huán)境的傳遞，因此，箱式便攜站主箱體的散熱設(shè)計(jì)就成了一個(gè)重中之重的問(wèn)題。

散熱形式主要分為：自然散熱（熱傳導(dǎo)）、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻等。目前應(yīng)用普遍的散熱方式仍是自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷。根據(jù)不同的散熱原理，對(duì)主箱體的散熱設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)方面：

1）為主箱體底部設(shè)計(jì)特制散熱片，提高自然散熱的效率。

各功能單元都安裝在主箱體的底板上，如果底板與主箱體采用同樣的工程塑料加工而成，由于塑料較低的熱傳導(dǎo)率，自然散熱的效率會(huì)很低。因此，需要為各功能單元特制一塊散熱片。首先，綜合考慮散熱效率、總體重量、方便各功能單元的安裝等因素，散熱片的材質(zhì)選擇了鋁合金材料。其次，對(duì)散熱片的基材厚度、齒片厚度、齒片間距、齒片高度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最終的散熱片形式。主箱體底部散熱片，如圖4所示。

圖4 主箱體底部散熱片

2）設(shè)計(jì)安裝風(fēng)扇，對(duì)主箱體內(nèi)部各功能單元進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

風(fēng)扇的選擇首先需要確定系統(tǒng)所需的散熱風(fēng)量，可由式（1）計(jì)算而得。

式中：Q——實(shí)際所需的風(fēng)量，m3/h；

P——系統(tǒng)總的熱耗，W；

Δt——空氣的溫升，℃；

ρ——空氣密度，kg/m3；

CP——空氣的定壓比熱，J/kg·℃。

強(qiáng)迫風(fēng)冷形式，風(fēng)道一般分為送風(fēng)和抽風(fēng)兩種方式，送風(fēng)方式會(huì)在風(fēng)口形成空氣紊流，適合熱量比較集中的情況，且風(fēng)扇的安裝方向最好對(duì)著熱源；抽風(fēng)方式適合熱量分布比較均勻的情況。

考慮到箱式便攜站主要的發(fā)熱功能單元集中在主箱體的前端，因此強(qiáng)迫風(fēng)冷采取了送風(fēng)的方式。在主箱體的前端安裝兩個(gè)風(fēng)扇對(duì)著發(fā)熱功能單元向箱體內(nèi)吹風(fēng)，后端安裝一個(gè)風(fēng)扇向箱體外抽風(fēng)，形成一個(gè)內(nèi)外循環(huán)的風(fēng)道系統(tǒng)。風(fēng)扇的安裝位置，如圖3、圖5所示。

圖5 風(fēng)扇的安裝位置

3）選用低功耗器件。在滿足各功能單元要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)降低整機(jī)功耗，減少各功能單元自身在工作時(shí)的發(fā)熱量。

3 散熱仿真分析

Icepak是一款強(qiáng)大的CAE仿真工具，是對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行散熱分析的專(zhuān)業(yè)軟件。Icepak利用的是FLUENT計(jì)算流體力學(xué)求解引擎，其多點(diǎn)離散求解算法能夠加速求解時(shí)間。

3.1 仿真輸入條件

對(duì)箱式便攜站主箱體進(jìn)行熱分析的具體輸入條件如下：環(huán)境溫度設(shè)為＋55℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度設(shè)為880W/m2，箱體外表面噴白漆，機(jī)箱內(nèi)各模塊殼體溫度不超過(guò)＋75℃。其主要熱源統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 主要熱源統(tǒng)計(jì)表

圖6 熱仿真模型

3.2 仿真建模

利用Icepak軟件，根據(jù)上述輸入條件建立熱仿真模型。熱仿真模型，如圖6所示。

3.3 仿真結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算，各熱源殼體溫度結(jié)果，如表2所示。溫度分布圖，如圖7所示。

表2 主便攜站各熱源溫度分布表

圖7 便攜站各模塊熱源溫度分布圖

由仿真結(jié)果可以看出，各模塊殼體溫度均小于＋75℃，滿足熱可靠性要求，能夠保證箱式便攜站系統(tǒng)正常工作。

5 結(jié)論

（1）介紹了目前便攜站天線系統(tǒng)的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)出了一款方便攜帶、展開(kāi)迅速、傳輸速率高、外型美觀的箱式便攜站；（2）介紹了箱式便攜站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)即散熱設(shè)計(jì)，并且通過(guò)Icepak軟件進(jìn)行了熱仿真分析；（3）該箱式便攜站已經(jīng)在多個(gè)工程中得到了成功的應(yīng)用，無(wú)論是性能還是外觀都是同類(lèi)產(chǎn)品中的佼佼者。

［1］余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.