某機(jī)載毫米波雷達(dá)天線仿真熱設(shè)計(jì)*

魏 濤，錢吉裕，孔祥舉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某機(jī)載毫米波雷達(dá)天線仿真熱設(shè)計(jì)*

魏 濤，錢吉裕，孔祥舉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對(duì)某型機(jī)載毫米波雷達(dá)天線熱設(shè)計(jì)難題，提出了熱管結(jié)合強(qiáng)迫風(fēng)冷的新型冷卻方式，設(shè)計(jì)了專用風(fēng)道。應(yīng)用數(shù)值模擬方法首先對(duì)T/R組件進(jìn)行了熱仿真計(jì)算，其次對(duì)天線背部風(fēng)機(jī)抽風(fēng)、吹風(fēng)進(jìn)行了仿真比較，再對(duì)散熱翅片和風(fēng)量分配進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最后對(duì)3 km高空狀態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，天線背部風(fēng)機(jī)吹風(fēng)明顯好于抽風(fēng)；翅片厚度0.8 mm，翅片數(shù)134，占空比23.8%的翅片結(jié)構(gòu)散熱較好；限流板阻力系數(shù)為5時(shí)風(fēng)量分配較均勻；高空環(huán)境下滿足天線工作要求。該方式合理可行，滿足系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)要求，為同類產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)提供了重要參考。

毫米波雷達(dá)；天線；熱設(shè)計(jì)；仿真

引 言

毫米波雷達(dá)因具有重量輕、體積小、波束窄、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭、直升機(jī)載多功能雷達(dá)、衛(wèi)星通信等平臺(tái)[1-4]。由于毫米波天線高度集成的特點(diǎn)，T/R組件熱流密度顯著增加[5]，天線熱設(shè)計(jì)已成為毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)外公開研究成果中較少涉及毫米波天線熱設(shè)計(jì)。

本文研究的某型機(jī)載毫米波雷達(dá)天線體積小、熱流密度較高，且飛機(jī)不提供任何冷卻資源，天線熱設(shè)計(jì)難度較大。本文提出熱管結(jié)合強(qiáng)迫風(fēng)冷的新型冷卻方式，通過仿真方法進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該冷卻方式的合理性。

1 毫米波天線熱設(shè)計(jì)

天線是毫米波雷達(dá)的核心部件，某機(jī)載毫米波雷達(dá)天線成矩形陣列布置。天線由線陣、散熱器和天線框架等組成。該天線平均熱耗約為2 kW，天線發(fā)熱主要集中于T/R組件的功率芯片，局部熱流密度約為10 W/cm2。

為了冷卻天線，保證天線正?？煽抗ぷ?，采用了熱管結(jié)合強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式，即芯片發(fā)熱量首先經(jīng)其下部的基板熱擴(kuò)展后，傳導(dǎo)至熱管的熱端，然后經(jīng)熱管冷端傳至與其緊密相連的天線上下兩端散熱器，再通過軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)經(jīng)專用風(fēng)道后強(qiáng)迫冷卻散熱翅片，最后由天線罩上部的風(fēng)機(jī)將熱量排至外界環(huán)境中。T/R組件模型圖和天線系統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 T/R組件(含熱管)模型圖

圖2 天線系統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真計(jì)算和分析

為了驗(yàn)證天線熱設(shè)計(jì)方案的可行性，應(yīng)用Icepak商業(yè)軟件對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。系統(tǒng)仿真計(jì)算分為兩部分，第1部分為T/R組件熱仿真，初定熱管冷端最高溫度為75 ℃，計(jì)算組件芯片單元最高溫度為102.5 ℃，滿足芯片殼溫要求。第2部分計(jì)算熱管冷端表面溫度分布，通過強(qiáng)迫風(fēng)冷措施和優(yōu)化設(shè)計(jì)保證熱管冷端溫度滿足低于75 ℃的要求。另外，應(yīng)用仿真手段對(duì)該冷卻方式進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)高空環(huán)境的熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 T/R組件熱仿真

圖3為初定熱管冷端最高溫度低于75 ℃的條件下(環(huán)境溫度50 ℃、常壓)T/R組件表面溫度分布，計(jì)算結(jié)果為最高溫度102.5℃，滿足芯片殼溫低于105℃要求。

圖3 T/R組件表面溫度分布

2.2 吹風(fēng)和抽風(fēng)形式仿真

冷卻系統(tǒng)選用了2個(gè)ebm 6314系列高性能緊湊軸流風(fēng)機(jī)，分別安裝在天線整流罩上部和天線背面，天線整流罩上部的風(fēng)機(jī)為抽風(fēng)形式，將高溫空氣攜帶的熱量向系統(tǒng)外排出。為了提高風(fēng)冷換熱效率，在天線背部的風(fēng)機(jī)和上下散熱翅片之間設(shè)計(jì)了專用風(fēng)道(圖2)。針對(duì)天線背部風(fēng)機(jī)分別采用抽風(fēng)(進(jìn)風(fēng)面為風(fēng)道側(cè))和吹風(fēng)(出風(fēng)面為風(fēng)道側(cè))兩種形式進(jìn)行了仿真計(jì)算(環(huán)境溫度50 ℃、常壓)，圖4和圖5分別為抽風(fēng)和吹風(fēng)時(shí)熱管冷端溫度分布。

圖4 抽風(fēng)時(shí)熱管冷端溫度分布

圖5 吹風(fēng)時(shí)熱管冷端溫度分布

對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果，在其他結(jié)構(gòu)形式不變的條件下，采用抽風(fēng)形式熱管冷端最高溫度為87.4 ℃，采用吹風(fēng)形式熱管冷端最高溫度為76.6 ℃，吹風(fēng)形式的熱管冷端表面溫度明顯降低。另外，采用抽風(fēng)時(shí)上下熱管冷端溫差很大，這是因?yàn)槌轱L(fēng)形式上部進(jìn)風(fēng)區(qū)域靠近系統(tǒng)出口，風(fēng)溫偏高。所以，在這種強(qiáng)迫風(fēng)冷加專用風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式下，天線背面風(fēng)機(jī)采用吹風(fēng)形式冷卻效果明顯好于抽風(fēng)形式。

2.3 散熱翅片仿真優(yōu)化

為了降低熱管冷端的最高溫度，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱翅片，提高強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流換熱系數(shù)。在翅片厚度0.8 mm、翅高37 mm時(shí)，分別對(duì)翅片數(shù)80、94、120、134的4種散熱翅片結(jié)構(gòu)形式的天線系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算(環(huán)境溫度50 ℃、常壓)，圖6為不同翅片數(shù)熱管冷端溫度分布。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖6 不同翅片數(shù)熱管冷端溫度分布

翅片數(shù)厚度/mm占空比/%熱管冷端最高溫度/℃800．814．1384．3940．816．6480．51200．821．2976．61340．823．8074．9

對(duì)散熱翅片進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，當(dāng)翅片厚度一定時(shí)，隨著翅片個(gè)數(shù)增加，翅片間距減小，占空比(即散熱翅片厚度與翅片間距之比)增大，對(duì)流換熱系數(shù)增大，熱管冷端最高溫度降低。但是由于天線總重量約束和翅片加工工藝要求，最后確定翅片厚度0.8 mm，翅片數(shù)134，占空比為23.8%。熱管冷端最高溫度為74.9 ℃，滿足熱管冷端最高溫度低于75 ℃的要求。

2.4 風(fēng)量分配仿真優(yōu)化

從上述計(jì)算結(jié)果可知，盡管上下部熱管冷端最高溫差較小，但是同側(cè)熱管冷端中間溫度和兩側(cè)溫度差別較大，這是中間和兩側(cè)風(fēng)量分配不均導(dǎo)致，中間風(fēng)量偏大，表面溫度較低，兩側(cè)風(fēng)量偏小，表面溫度較高。為了改善風(fēng)量分配不均，在上下部風(fēng)道中間各增加限流板，通過調(diào)整限流板阻力系數(shù)，控制限流板自由流通面積，控制流經(jīng)限流板的流量，分別針對(duì)無限流板和3種不同阻力系數(shù)的限流板進(jìn)行計(jì)算(環(huán)境溫度50 ℃、常壓)，如圖7所示。

圖7 無限流板和3種不同阻力系數(shù)限流板的熱管冷端溫度分布

由計(jì)算結(jié)果可知，無限流板時(shí)熱管冷端中間風(fēng)量較大，溫度較低，兩側(cè)風(fēng)量較小，溫度較高，且最高溫度超過75 ℃；增加限流板后熱管冷端中間風(fēng)量減少，溫度升高，兩側(cè)風(fēng)量增加，溫度降低，熱管冷端兩側(cè)和中間溫度一致性變好。另外，隨著限流板阻力系數(shù)增加，中間風(fēng)量繼續(xù)減小，兩側(cè)風(fēng)量繼續(xù)增大，熱管冷端中間溫度略升，兩側(cè)溫度略降，中間和兩側(cè)溫差明顯減小，而且整個(gè)冷端最高溫度仍低于75 ℃。但是，限流板阻力系數(shù)增至7時(shí)，熱管冷端中間溫度明顯增加，兩側(cè)溫度降低，熱管冷端溫度一致性變差。綜上所述，通過在風(fēng)道中間增加限流板，使通道內(nèi)風(fēng)量分配更加均勻，熱管冷端的溫度一致性得到明顯改善，而且當(dāng)阻力系數(shù)為5時(shí)，通道內(nèi)風(fēng)量分配較均勻，熱管冷端溫度一致性較好。

2.5 高空狀態(tài)仿真

本雷達(dá)不僅要求在地面高溫環(huán)境可靠工作，還要求在3 km高空(環(huán)境溫度30 ℃)正?？煽抗ぷ?，因此針對(duì)3 km高空環(huán)境進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 高空3 km熱管冷端溫度分布

計(jì)算結(jié)果表明，在3 km高空環(huán)境下，熱管冷端最高溫度為59.8 ℃，遠(yuǎn)低于地面環(huán)境狀態(tài)下的74.9 ℃。這是因?yàn)楸M管高空環(huán)境空氣密度減小，風(fēng)量減小，但環(huán)境溫度較地面降低較多，熱管冷端溫度也相應(yīng)降低。因此，本系統(tǒng)也滿足雷達(dá)天線在3 km高空環(huán)境正常工作的要求。

3 結(jié)束語

針對(duì)某機(jī)載毫米波雷達(dá)天線熱設(shè)計(jì)，提出了熱管結(jié)合強(qiáng)迫風(fēng)冷的新型冷卻方案，并對(duì)冷卻系統(tǒng)中散熱翅片和風(fēng)道等結(jié)構(gòu)通過仿真方法進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該冷卻方式合理可行，為同類產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)提供了重要參考。

[1] 向敬成, 張明友. 毫米波雷達(dá)及其應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)大學(xué)出版社, 2005.

[2] 薛良金. 毫米波工程基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2004.

[3] WEHLING J H. Multifunction millimeter-wave systems for armored vehicle application[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3):1021-1025.

[4] HOLLOWAY J. Design considerations for adaptive active phased-array ‘multifunction’ radar[J]. Electronics & Communication Engineering Journal, 2001, 13(6): 277-288.

[5] 黃建. 毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J]. 電訊技術(shù), 2011, 51(2): 1-6.

魏 濤(1975-)，男，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)電子設(shè)備熱控技術(shù)。

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Thermal Simulation of an Airborne Millimeter-wave Radar Antenna

WEI Tao，QIAN Ji-yu，KONG Xiang-ju

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to solve the problem of thermal design on an airborne millimeter-wave radar antenna, a new cooling way which combines heat pipes with forced air convection is introduced, and special wind ducts are designed. Firstly, the T/R modules are simulated by numerical simulation methods. Secondly, the suction fan and the exhaust fan on the back of antenna are compared by simulation. Thirdly, fins and wind distribution are optimized by simulation. Finally, the cooling system is simulated at 3 km altitude. Simulation results show that exhaust fan is better than suction fan, heat dissipation effects are better when the fin thickness is 0.8 mm, the fin number is 134, and the ratio of thickness of fin to space of fins is 0.238, wind distribution is better while the resistance coefficient of air restrictor plate is 5, the cooling way meets the antenna working requirement at high altitude. The cooling way is reasonable and meets the thermal design requirement, and provides an important reference for the thermal design of similar products.

millimeter-wave radar; antenna; thermal design; simulation

2013-11-25

TN82；TK172

A

1008-5300(2014)03-0016-03