某相控陣?yán)走_天線陣面熱設(shè)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 安徽合肥 230088)

某相控陣?yán)走_天線陣面熱設(shè)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 安徽合肥 230088)

有源相控陣?yán)走_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(nèi)功率放大器體積小、熱流密度大的特點，采用熱控與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計技術(shù)，將水道集成在天線骨架內(nèi)，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(jié)果表明通過控制流量可以實現(xiàn)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(nèi)合理布置流道，采用壓力-流量匹配技術(shù)實現(xiàn)了25個冷板流量的精確分配。

天線陣面；高熱流密度；熱設(shè)計；流量分配

Abstract: Heat dissipation of T/R modules in antenna array has an important effect on performance and reliability of active phased array radar. Aiming at characteristics of power amplifier in T/R module like small volume, high heat flux density, water runner is integrated in antenna framework by using technique of cooperating design thermal control with structure, and adopting thermal simulation software to analyze temperature distribution on power devices. The thermal simulation result shows that perfect heat dissipation can be implemented by controlling flux. Aiming at characteristics like multiple variety of cold plate on antenna array, and difficulty in allocating flux, pressure-flux matching technique is used to achieve precise flux allocation for 25 cold plates by arranging runner rationally within antenna framework.

Keywords：antenna array; high heat flux density; thermal design; flux allocation

0 引言

有源天線陣面是相控陣?yán)走_的核心分系統(tǒng)，對雷達系統(tǒng)的威力、性能、平臺適應(yīng)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(yīng)性強的方向發(fā)展，合理有效的熱管理技術(shù)是實現(xiàn)上述目標(biāo)的有效手段之一。

為了實現(xiàn)有源天線陣面小型化、高可靠性的目標(biāo)，軍用電子元器件走向高密度、高集成度的發(fā)展道路，基礎(chǔ)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(shù)字雷達的有源陣面熱耗將達到兆瓦量級，而作為相控陣?yán)走_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(shè)計精良的電子設(shè)備在長期過熱及不均勻熱應(yīng)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(shè)備的失效有55%是由溫度引起的，“10℃法則”也明確指出：半導(dǎo)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(yīng)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(fēng)冷以及常規(guī)液冷技術(shù)已經(jīng)無法解決。熱控結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)被認為解決高熱流密度電子設(shè)備散熱的可行方法.

目前，對于組件級電子設(shè)備的熱分析和數(shù)值模擬已有很多報道[1-4]，但關(guān)于大口徑雷達天線陣面的熱設(shè)計和流量分配分析國內(nèi)外相關(guān)研究還較少。關(guān)宏山[5]對某相控陣?yán)走_液冷管網(wǎng)流量分配進行了研究，通過將管網(wǎng)進行分區(qū)和分層處理，將大型液冷管網(wǎng)劃分為若干個小型網(wǎng)絡(luò)，大大降低了流量分配的難度。鐘賢和等人[6]采用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)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?yán)走_整個天線陣面進行了熱設(shè)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(biāo)要求的最小流量，然后通過合理布置流道，實現(xiàn)各個冷板流量的合理分配，對大尺寸多支路電子設(shè)備的熱設(shè)計和流量分配工程應(yīng)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?yán)走_天線框架如圖1所示。天線框架內(nèi)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(cè)推動T/R組件，使組件殼體緊貼框架，最終通過與框架內(nèi)水道熱交換實現(xiàn)T/R組件的散熱，如圖2所示。

圖1 天線框架

圖2 四通道T/R組件與鎖緊條相對位置

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(qū)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(dǎo)熱系數(shù)為154W/(m·k)的鉬銅載體上，再焊接在厚度為1.2mm、導(dǎo)熱系數(shù)為120W/(m·k)的硅鋁殼體上。驅(qū)動放大器和多功能芯片直接通過導(dǎo)電膠粘結(jié)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(qū)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(qū)動放大器熱流密度都小于10w/cm2，因此功率放大器是重點關(guān)注的散熱器件。天線框架中間最長9列晶格兩側(cè)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(cè)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(jù)芯片的結(jié)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(qū)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：

a)外界初始環(huán)境溫度為55℃；

b)冷卻液入口溫度為40℃；

c)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(shè)備熱分析軟件Icepak進行，根據(jù)軟件建模的特點和要求，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進行了部分簡化，

a)忽略了T/R組件與周圍空氣的對流散熱；

b)忽略了輻射散熱因素；

c)忽略了所有螺釘孔以及與冷板傳熱關(guān)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(dǎo)熱率為167W/(m·℃)，比熱容為896J/(kg·℃)。天線框架最長晶格內(nèi)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。考慮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。

圖3 單個T/R組件內(nèi)器件分布圖

2.3 熱仿真結(jié)果

天線框架最長晶格內(nèi)水道負責(zé)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(nèi)器件溫度分布結(jié)果如下圖所示。

圖4 T/R組件內(nèi)器件溫度分布云圖

仿真結(jié)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(biāo)要求。64個低噪聲放大器最高溫度為59.4℃，驅(qū)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(biāo)要求。

為了分析冷板內(nèi)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(nèi)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。可以看到，當(dāng)冷板內(nèi)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(biāo)要求。

圖5 冷板內(nèi)流量對功率管管殼溫度的影響

3 流量分配分析

3.1 流量分配模型

為了考察天線陣面內(nèi)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(nèi)共有25個冷板，最長冷板內(nèi)分布5根通徑3mm的水管，最短冷板內(nèi)分布3根通徑3mm的水管，中間長度冷板內(nèi)分布4根通徑3mm的水管。天線框架內(nèi)流量分配采用兩進兩出的形式，為了降低天線框架內(nèi)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(nèi)冷卻液平均流速小于0.6m/s。

圖6 流量分配模型

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(shù)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(yīng)結(jié)合系統(tǒng)散熱冷卻與壓力之間的關(guān)系綜合考慮來確定。根據(jù)流量與壓力匹配關(guān)系，冷卻液溫升5℃時，估算得出在典型工況下，實現(xiàn)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(shù)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(nèi)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(biāo)要求。圖8給出了天線框架中心截面水道內(nèi)速度分布，此時主水道內(nèi)冷卻液最大流速為0.61m/s，最小流速為0.43m/s；框架晶格內(nèi)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(nèi)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。

圖7 液冷流道壓力分布

圖8 液冷流道速度分布

圖9 天線框架冷板流量分布

4 結(jié)論

有源相控陣?yán)走_天線陣面具有口徑大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計技術(shù)，將液冷流道內(nèi)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(nèi)流道，可以實現(xiàn)熱流密度為135W/cm2功率器件的有效散熱。針對天線框架內(nèi)冷板長度不一，冷板上熱負載大小不等而導(dǎo)致的流量分配難度大的問題，通過在冷板內(nèi)設(shè)置不同數(shù)量圓形流道來調(diào)節(jié)冷板內(nèi)冷卻液流量，可以將功率器件的溫度控制在指標(biāo)允許范圍內(nèi)。流量分配仿真結(jié)果表明，天線框架內(nèi)25個冷板流量分配誤差在15%以內(nèi)，最小流量大于1.5L/min，可以實現(xiàn)各個冷板流量的精確分配。另外天線框架內(nèi)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(shè)計難度。隨著冷板制造工藝及天線結(jié)構(gòu)集成能力的不斷提升，熱控與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計技術(shù)將在有源相控陣?yán)走_中得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 高玉良，萬建崗，周艷. 新一代有源相控陣?yán)走_T/R組件熱設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31 (24)：91-98.

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ThermalDesignandStudyonFluxAllocationofaPhasedArrayRadarAntennaArray

Ren Heng

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

TN957

A

1008-8652(2017)02-080-05

2016-04-11

任恒(1987-)，男，博士研究生。主要研究方向為設(shè)備環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計工作。