某相控陣?yán)走_T/R組件熱仿真與熱測試

劉繼鵬 趙曉東 陳福媛 李宜筠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

某相控陣?yán)走_T/R組件熱仿真與熱測試

劉繼鵬 趙曉東 陳福媛 李宜筠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

本文以有源相控陣天線為主要研究對象，對其散熱需求進行仿真分析，以14個 T/R 組件組成結(jié)構(gòu)體作為滿陣天線散熱的最小散熱單元，分別驗證鑄鋁ADC12和鍛鋁6063兩種材料的T/R單元在風(fēng)道內(nèi)的散熱情況。通過仿真分析和試驗驗證證明，該雷達總體熱設(shè)計方案完全能滿足實際工作要求。該種散熱方法對類似設(shè)備的整體熱設(shè)計有一定的參考價值。

風(fēng)冷；有限體積法；熱設(shè)計

Abstract: Taking active phased array antenna as an object, requirement for its heat dissipation is simulated and analyzed. Heat dissipation of T/R modules made of two materials like cast aluminum ADC 12 and of wrought aluminum 6063 in air duct is verified respectively by taking architecture composed by 14 T/R modules as minimum radiating unit of full array antenna heat dissipation. The radar overall thermal design scheme can meet requirement of practical operation, this is proved by simulation analysis and test verification. This heat dissipating method provides certain reference value for overall thermal design of similar equipment.

Keywords：air cooling; finite-volume method; thermal design

0 引言

隨著有源相控陣天線的發(fā)展，尤其是在軍用領(lǐng)域內(nèi)大量的應(yīng)用，有源相控陣天線上的熱設(shè)計已經(jīng)成為其整體設(shè)計中一個重要內(nèi)容。由于陣面上分布著大量的排列緊湊的 T/R 組件，造成天線內(nèi)散熱困難，引起 T/R 組件性能下降甚至失效，從而造成天線電性能惡化[1～9]。

本文根據(jù)某有源相控陣?yán)走_對固態(tài)發(fā)射組件散熱的要求，基于傳熱學(xué)和計算流體力學(xué)，建立流熱耦合數(shù)學(xué)模型，研究了一種典型在相控陣?yán)走_中常見的風(fēng)冷散熱問題，即基于小空間多流阻情況下風(fēng)冷散熱設(shè)計中的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流體參數(shù)，為合理工程設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)，并試驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

2 T/R組件熱仿真分析

2.1 T/R組件熱仿真分析模型

2.1.1 T/R組件風(fēng)冷機柜結(jié)構(gòu)

14個T/R組件組成天線的最小散熱單元，見圖1。風(fēng)機抽風(fēng)，每兩個T/R組件由一個進風(fēng)口供風(fēng)，冷風(fēng)由進風(fēng)口進入在組件內(nèi)部與將兩個串聯(lián)組件內(nèi)部的T/R單元的翅片上的熱量帶走。

圖1 T/R組件風(fēng)冷機柜

2.1.2 T/R組件熱仿真模型

將上述并聯(lián)的7組T/R組件只取一排，在flotherm中建立的熱仿真模型見下圖2，仿真模型中的風(fēng)機風(fēng)量為原風(fēng)機的1/7，風(fēng)機風(fēng)壓不變。

2.2 flotherm有限體積法

本文通過flotherm電子熱設(shè)計仿真軟件對該T/R組件進行熱仿真分析，在flotherm中的采用有限體積法來計算流場內(nèi)的溫度、壓力和流速。(圖3為一維X向單向體積網(wǎng)格示意圖)

圖2 雙T/R組件組成的熱仿真模型

圖3 X向單向體積網(wǎng)格示意圖

有限體積法的微分表達式見式1和式2

連續(xù)性表達式：

(1)

溫度場表達式：

(2)

連續(xù)性表達式的單向X向表達式中，體積單元為Vp=δxδyδy，X向面積Ax=δyδz

其中

那么連續(xù)性表達式在X向表達式為：

(3)

同理，溫度場全表達式：

(4)

由于連續(xù)性表達式也可表述為：ap=at+alx+ahx

(5)

那么引入通配符φ，則三維的溫度場通式為[10]：

apφp=alxφlx+ahxφhx+alyφly+ahyφhy+alzφlz+ahzφhz+altφlt+S

(6)

而flotherm求解域內(nèi)的單個網(wǎng)格的溫度代數(shù)方程可以寫為[11]

其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分別為相鄰網(wǎng)格的溫度值，T0為上一個迭代步此網(wǎng)格的溫度值，C1、C2、C3、C4、C5、C6為系數(shù)，S為網(wǎng)格內(nèi)的源項。在flotherm中的殘差計算式如下：

(7)

整個求解域的溫度殘差值總殘差R為RT=∑|rT|(8)，速度和壓力的殘差值與溫度殘差值的定義類似。

通過設(shè)置參數(shù)終止計算殘差值來求解解算域內(nèi)的溫度場和流體場，當(dāng)殘差收斂不隨迭次數(shù)發(fā)生變化時認(rèn)為仿真模型求解收斂。本文中的仿真模型收斂曲線見下圖4

2.3 仿真結(jié)果分析

從仿真分析結(jié)果可以看到(見下圖5)，靠近出風(fēng)口的T/R單元的最高溫度為74℃，與環(huán)境溫度之間的溫差為19℃。最靠近出口處T/R單元溫度為72.3℃，溫差17.3℃。(T/R單元盒體材料為ADC12)

圖4 收斂曲線

圖5 仿真分析結(jié)果

3 T/R組件熱測試試驗驗證

3.1 兩種殼體T/R單元熱測試對比試驗

單體T/R單元測試時(見下圖6)，在兩級功放管芯片的殼體上布置熱電偶，并通過熱成像采集儀(FLIR E40)對盒體內(nèi)部的工作時溫度場分布來判斷最高溫度點。

分別記錄兩種殼體(一個是鑄鋁ADC12，一個是鍛鋁6063，以下分別簡稱鑄造齒和鋁擠齒)T/R單元加載開始時間，與加載后的溫升，在到達最高溫度穩(wěn)定后斷電，得到兩種殼體T/R單元單體正常工作時的最高溫升。(環(huán)境溫度23.6℃)兩者在到達穩(wěn)態(tài)后點溫儀的測試結(jié)果見表1。

圖6 單體T/R組件對比試驗

鋁擠齒T/R盒體鑄造齒T/R盒體溫度53.2℃58.1℃溫差29.6℃34.6℃

3.2 半實物測試工裝下T/R組件熱測試(鑄造齒)

常溫下兩個T/R組件測試(含16個鑄造齒模塊)。

環(huán)境溫度18.5℃； 測試時間：40min； 測試設(shè)備：點溫儀 (見下圖7)

圖7 鑄造齒熱測試試驗

出風(fēng)口處T/R單元DDS驅(qū)動芯片AD板芯片中間T/R單元FPGA溫度34.932.831.13337.5溫升16.414.312.614.519

從表2可以看出離出發(fā)口最近的T/R單元功率管殼體上的溫升為16.4度，與仿真結(jié)果吻合，但出風(fēng)口與組件中間單元的均溫性相差近2度。

3.3 半實物測試工裝下T/R組件熱測試(鋁擠齒，風(fēng)機不變)

常溫下兩個T/R組件測試(含8個鋁擠齒模塊及8個鑄造齒模塊，8個鋁擠齒在出風(fēng)口處布置)。

表3 鋁擠齒測試結(jié)果

從表2可以看出離出發(fā)口最近的T/R單元功率管殼體上的溫升為11.2度，擠壓齒的溫升比鑄造齒的溫升降低了5度左右，但模塊的均溫性只相差0.9度。

4 結(jié)論

從仿真分析結(jié)果和試驗驗證不僅驗證了T/R組件采用風(fēng)冷散熱方式是可行的，同時研究了不同參數(shù)下對T/R組件散熱的影響，為仿真分析在工程熱設(shè)計進一步應(yīng)用提供了依據(jù)。

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ThermalSimulationandDesignofT/RmoduleforaPhasedArrayRadar

Liu Jipeng， Zhao Xiaodong， Chen Fuyuan， Li Yiyun

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-085-04

2017-03-12

劉繼鵬(1972-)，男，高級工程師。研究方向為電子、熱仿真技術(shù)。