某相控陣雷達天線陣面熱設計及流量分配研究

任 恒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

某相控陣雷達天線陣面熱設計及流量分配研究

任 恒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

有源相控陣雷達天線陣面中T/R組件的散熱對雷達的性能和可靠性有重要影響。本文針對T/R組件內功率放大器體積小、熱流密度大的特點，采用熱控與結構協(xié)同設計技術，將水道集成在天線骨架內，并采用熱仿真軟件對功率器件的溫度分布進行了分析。熱仿真結果表明通過控制流量可以實現功率器件的良好散熱。針對天線陣面冷板種類多、流量分配難度大的特點，通過在天線框架內合理布置流道，采用壓力－流量匹配技術實現了25個冷板流量的精確分配。

天線陣面;高熱流密度;熱設計;流量分配

引言

有源天線陣面是相控陣雷達的核心分系統(tǒng)，對雷達系統(tǒng)的威力、性能、平臺適應性、性能載荷比、可靠性、重量、功耗等重要屬性以及性能的提升起到了決定性的作用。為了滿足雷達系統(tǒng)超大規(guī)模、高功率、高性能負載比、多平臺等要求，有源天線陣面向著高效率、高集成度、低能耗、空間環(huán)境適應性強的方向發(fā)展，合理有效的熱管理技術是實現上述目標的有效手段之一。

為了實現有源天線陣面小型化、高可靠性的目標，軍用電子元器件走向高密度、高集成度的發(fā)展道路，基礎功能模塊向極小化、多功能化的趨勢發(fā)展。隨著器件集成度的提高以及雷達探測威力的增大，有源陣面的熱耗以及局部的熱流密度都迅速增大，未來全數字雷達的有源陣面熱耗將達到兆瓦量級，而作為相控陣雷達核心器件的T/R組件或其他功率組件熱耗將達到千瓦量級，功率芯片局部熱點熱流密度將可能超過200W/cm2。電子器件都有其工作溫度的上限，任何設計精良的電子設備在長期過熱及不均勻熱應力的情況下都會發(fā)生故障或是失效，美空軍整體計劃分析報告里指出:電子設備的失效有55%是由溫度引起的，“10℃法則”也明確指出:半導體器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會降低50%。此外，為了給電子芯片提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，通常都是將其封裝之后再安裝在相應的組件上使用。顯然，電子芯片封裝過程會帶來額外的封裝熱阻，這會進一步惡化電子芯片的傳熱路徑。在這樣的情況下，對于熱流密度達到150W/cm2的電子元器件的散熱問題，自然冷卻、強迫風冷以及常規(guī)液冷技術已經無法解決。熱控結構一體化設計技術被認為解決高熱流密度電子設備散熱的可行方法。

目前，對于組件級電子設備的熱分析和數值模擬已有很多報道［1－4］，但關于大口徑雷達天線陣面的熱設計和流量分配分析國內外相關研究還較少。關宏山［5］對某相控陣雷達液冷管網流量分配進行了研究，通過將管網進行分區(qū)和分層處理，將大型液冷管網劃分為若干個小型網絡，大大降低了流量分配的難度。鐘賢和等人［6］采用數值模擬和試驗相結合的方法研究了多支管流量的分配均勻性問題。本文采用熱仿真軟件對相控陣雷達整個天線陣面進行了熱設計與流量分配分析。先對單個冷板進行熱仿真，得到滿足功率器件指標要求的最小流量，然后通過合理布置流道，實現各個冷板流量的合理分配，對大尺寸多支路電子設備的熱設計和流量分配工程應用提供了借鑒。

1 問題描述

1.1 天線框架及T/R組件分布

某有源相控陣雷達天線框架如圖1所示。天線框架內安裝四通道T/R組件，整個天線陣面共有50列T/R組件。左右兩列最短，分布2個T/R組件，中間16列最長，分布8個T/R組件。T/R組件采用獨立盲插方式安裝在天線框架上，鎖緊條向兩側推動T/R組件，使組件殼體緊貼框架，最終通過與框架內水道熱交換實現T/R組件的散熱，如圖2所示。

1.2 T/R組件熱分布

T/R組件的主要散熱器件有功率放大器、驅動放大器、低噪聲放大器和多功能芯片，其中功率放大器芯片和低噪聲放大器先焊到厚度為0.2mm，導熱系數為154W/(m·k)的鉬銅載體上，再焊接在厚度為1.2mm、導熱系數為120W/(m·k)的硅鋁殼體上。驅動放大器和多功能芯片直接通過導電膠粘結在LTCC基板上，之后通過金錫焊料將LTCC基板焊接到硅鋁殼體上。

典型工況下功率放大器的熱耗為7.55W，低噪聲放大器的熱耗約為0.16W，多功能芯片的熱耗約為0.75W，驅動放大器的熱耗約為0.3W。功率放大器的熱流密度約為135W/cm2，多功能芯片熱流密度約為15W/cm2，低噪聲放大器和驅動放大器熱流密度都小于10W/cm2，因此功率放大器是重點關注的散熱器件。天線框架中間最長9列晶格兩側各8個 T/R組件，共計64個收發(fā)通道，總熱耗為560.6W。天線框架兩側最短晶格分布5個T/R組件，共計20個收發(fā)通道，總熱耗為175.2W。

根據芯片的結溫和熱阻，要求T/R組件正常工作時功率放大器管殼最高溫度不能超過85℃，低噪聲放大器、多功能芯片和驅動放大器最高溫度不能超過80℃。

2 熱仿真分析

2.1 熱仿真邊界條件

熱仿真分析計算的邊界條件如下:

(1)外界初始環(huán)境溫度為55℃;

(2)冷卻液入口溫度為40℃;

(3)冷卻液類型:去離子水。

2.2 熱仿真模型

熱仿真分析計算采用專業(yè)電子設備熱分析軟件Icepak進行，根據軟件建模的特點和要求，在保證仿真結果不失真的前提下，對仿真模型進行了部分簡化，

(1)忽略了T/R組件與周圍空氣的對流散熱;

(2)忽略了輻射散熱因素;

(3)忽略了所有螺釘孔以及與冷板傳熱關系不大的局部部件。

熱仿真分析模型如圖3所示。天線框架晶格厚度為7.4mm，材料為5A06鋁合金，此型號鋁合金密度為2700kg/m3，導熱率為167W/(m·℃)，比熱容為896J/(kg·℃)。天線框架最長晶格內布置5個通徑為3mm，間距為1.5mm的圓形水道。由于功率放大器熱流密度較高，熱耗較大，水道集中分布在功率放大器附近?？紤]到功率放大器先焊到同等大小的鉬銅載體上，再焊接到硅鋁殼體上，計算中可以忽略功率芯片與鉬銅以及鉬銅與T/R殼體之間的接觸熱阻。

2.3 熱仿真結果

天線框架最長晶格內水道負責左右兩面共16個T/R組件的散熱。在典型工況下，冷卻液入口溫度為40℃、流量為2L/min時，T/R組件內器件溫度分布結果如圖4所示。

仿真結果表明，16個T/R組件共64只功率放大器殼體溫度最高約為82.7℃，最低溫度78.8℃，溫度不一致性小于4℃，滿足功率放大器殼溫小于85℃的指標要求。64個低噪聲放大器最高溫度為59.4℃，驅動放大器最高溫度為55.8℃，多功能芯片最高溫度為54.7℃，均滿足溫度指標要求。

為了分析冷板內流量對功率器件溫度的影響，進一步計算了最長冷板和最短冷板內流量分別為1L/min、1.5L/min和1.8L/min時功率管最高溫度變化情況，如圖5所示?？梢钥吹?，當冷板內流量大于1.5L/min時，最長冷板和最短冷板上功率放大器最高溫度分別為84.5℃和83.7℃，滿足指標要求。

3 流量分配分析

3.1 流量分配模型

為了考察天線陣面內各個冷板的流量分配情況，建立流量分析模型，如圖6所示。整個天線框架內共有25個冷板，最長冷板內分布5根通徑3mm的水管，最短冷板內分布3根通徑3mm的水管，中間長度冷板內分布4根通徑3mm的水管。天線框架內流量分配采用兩進兩出的形式，為了降低天線框架內主水道對冷板流量分配的影響，主水道截面積取為45mm×30mm，確保主水道內冷卻液平均流速小于0.6m/s。

3.2 流量分配仿真分析

在一定的耗散功率下，冷卻劑的流量越大，對流換熱系數越大，發(fā)熱器件的表面溫度將越低，但冷卻系統(tǒng)的流阻隨流速的增加而劇增，因此冷卻液流量應結合系統(tǒng)散熱冷卻與壓力之間的關系綜合考慮來確定。根據流量與壓力匹配關系，冷卻液溫升5℃時，估算得出在典型工況下，實現整個天線陣面功率器件的有效散熱，需要的冷卻液總流量為50L/min。

采用熱仿真軟件對天線陣面流量分配進行數值模擬。兩個圓形接頭進口速度取為1.32m/s，進液總流量為50L/min，出口采用壓力邊界條件，壓力為環(huán)境大氣壓力101325Pa。計算得到的整個天線陣面框架內流道壓力分布如圖7所示。冷卻液入口壓力最大，約為112068Pa，進出口壓差約為10743Pa，滿足系統(tǒng)壓差不超過1bar的指標要求。圖8給出了天線框架中心截面水道內速度分布，此時主水道內冷卻液最大流速為0.61m/s，最小流速為0.43m/s;框架晶格內最短圓形水道流速最大，約為1.45m/s，中間9列水道流速較小，最小流速約為1.05m/s。圖9進一步給出了整個天線陣面25個冷板內冷卻液流量分布情況，此時第14塊冷板流量最大，約為2.12L/min，第 1塊冷板冷卻液流量最小，約為1.82L/min，均大于圖5所示的最小流量1.5L/min，可以保證天線陣面上功率器件的有效散熱。

4 結論

有源相控陣雷達天線陣面具有口徑大、結構復雜、散熱器件多、T/R組件熱流密度大、溫度一致性要求高等特點，采用結構與熱控協(xié)同設計技術，將液冷流道內置在天線框架骨架中，可以提高天線有效面積，使雷達的功率、分辨率和測角精度大大增強。通過合理布置框架內流道，可以實現熱流密度為135W/cm2功率器件的有效散熱。針對天線框架內冷板長度不一，冷板上熱負載大小不等而導致的流量分配難度大的問題，通過在冷板內設置不同數量圓形流道來調節(jié)冷板內冷卻液流量，可以將功率器件的溫度控制在指標允許范圍內。流量分配仿真結果表明，天線框架內25個冷板流量分配誤差在15%以內，最小流量大于1.5L/min，可以實現各個冷板流量的精確分配。另外天線框架內置水道可以大大降低液冷系統(tǒng)的供液壓力，從而降低供液系統(tǒng)設計難度。隨著冷板制造工藝及天線結構集成能力的不斷提升，熱控與結構協(xié)同設計技術將在有源相控陣雷達中得到更廣泛的應用。

［1］高玉良，萬建崗，周艷.新一代有源相控陣雷達T/R組件熱設計［J］.武漢理工大學學報，2009，31(24):91 －98.

［2］楊雙根，金開軍，朱春玲.液冷組件熱設計［J］.安徽工程科技學院學報，2004，19(4):73－76.

［3］任恒，關宏山，彭偉.固態(tài)發(fā)射機末級組件熱設計［J］.制冷與空調，2016，16(3):17－20.

［4］任恒，劉萬鈞，洪大良，黃靖，張先鋒.某相控陣雷達T/R組件熱設計研究［J］.火控雷達技術，2015，44(4)，60 －64.

［5］關宏山.某相控陣雷達液冷流量分配系統(tǒng)研究［J］.電子機械工程，2011，27(4):9－12.

［6］鐘賢和，張力，伍成波.較大流量多支管流量分配試驗與數值模擬［J］.重慶大學學報(自然科學版)，2006，29(1):41－44.

Thermal Design and Flow Rate Distribution of Antenna Array of Phased Array Radar

Ren Heng
(The No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

Cooling of T/R modules in antenna array has an important effect on performance and reliability of active electronically scanned array.Power amplifier in a T/R module features small size and high heat density，integrated design of radar structure and thermal control is adopted，that is，water channels are arranged inside antenna framework.Thermal analysis to temperature distribution of power devices is conducted by using of thermal simulation software(CFD software);simulation results show that effective heat dissipation of the power devices can be achieved by controlling flow rate.In order to overcome challenge such as varieties of cold plates in antenna array and difficulty in flow rate distribution，pressure and flow rate matching technology is used，and precise allocation of flow rate for 25 cold plates is achieved.

Antenna array;high heat flux;thermal design;flow distribution

TN957.2

A

1008-8652(2017)01-055-04

2016-07-11

任 恒(1987－)，男，博士研究生。主要研究方向為電子設備環(huán)控系統(tǒng)設計技術。