某低剖面相控陣天線液冷冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張海崗， 謝歡歡， 李寶洋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，西安710068）

0 引言

目前，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)逐步呈現(xiàn)出功能集成化、結(jié)構(gòu)微小化的趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)共形隱身，往往要求天線結(jié)構(gòu)剖面低、尺寸小。然而高集成度的T/R組件造成天線陣面上具有相當(dāng)高的熱流密度，這給天線的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)工作帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。液冷技術(shù)以其高效緊湊噪聲小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于需要快速高效散熱的場(chǎng)景，傳統(tǒng)冷板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有平直型及仿生型等結(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在某些應(yīng)用場(chǎng)景下被證明具有良好的散熱性能[2]，然而由于現(xiàn)代天線小尺寸及緊耦合裝配要求，為了節(jié)省空間，往往需要將電氣元件與結(jié)構(gòu)功能部件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，這就要求電氣元件嵌入結(jié)構(gòu)之中，冷板上不可避免地會(huì)存在數(shù)量眾多的開(kāi)槽開(kāi)孔，這使得冷板流道設(shè)計(jì)變得愈加困難。

本文針對(duì)某緊耦合陣列天線T/R組件的散熱問(wèn)題，利用3D打印工藝便于成型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種尺寸小、剖面低、集成度高，不同于傳統(tǒng)流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的液冷冷板，對(duì)其進(jìn)行仿真分析并試驗(yàn)驗(yàn)證其散熱效果。

1 相控陣天線及冷板結(jié)構(gòu)

某緊耦合有源相控陣天線共1280個(gè)天線單元，需安裝80個(gè)T/R組件進(jìn)行發(fā)射接收控制，發(fā)熱量龐大。為實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)共形隱身處理，要求天線陣面結(jié)構(gòu)的剖面厚度不超過(guò)30 mm。為了滿足結(jié)構(gòu)低剖面設(shè)計(jì)的同時(shí)達(dá)到良好的散熱效果，本文設(shè)計(jì)的陣列天線與T/R組件分別安裝在冷板兩側(cè)，并采用1280個(gè)SSMA-KK型接頭進(jìn)行盲插連接，天線結(jié)構(gòu)布局型式如圖1所示。冷板采用5A06鋁合金制作，該材料為3D打印工藝的成熟材料，導(dǎo)熱性好，相對(duì)其他金屬材料較輕。冷板由左冷板、右冷板和中間小冷板3塊組成，左冷板與右冷板通過(guò)機(jī)械連接拼接起來(lái)，中間小冷板單獨(dú)安裝，用螺釘將小冷板與中間T/R組件壓緊，每塊冷板均有一個(gè)入水口和出水口。由于1280個(gè)SSMAKK型接頭需要采用焊接工藝安裝在冷板上，冷板開(kāi)孔密集，傳統(tǒng)的微流道設(shè)計(jì)變得極為困難。因此冷板的設(shè)計(jì)核心為避開(kāi)數(shù)量眾多的開(kāi)孔，并保證3D打印出流道后機(jī)加階梯孔時(shí)，冷板本身流道壁面厚度足夠，防止鉆孔時(shí)出現(xiàn)偏差造成泄漏。經(jīng)過(guò)最極限的設(shè)計(jì)，冷板總厚度僅為4.5 mm，開(kāi)孔周圍的壁面厚度中間冷板為1.5 mm，兩邊冷板為0.9 mm，入水口處與出水口處均采用均勻排布的叉排肋柱以實(shí)現(xiàn)分流均壓，如圖2所示。

圖1 陣列天線結(jié)構(gòu)布局形式

2 熱仿真分析

冷板在工作時(shí)，進(jìn)口由四通連接，一端接冷水管路，另外3個(gè)端口分別與水冷板進(jìn)行連接。出水口同樣由四通和管路匯集在一起,如圖3所示。

圖2 冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 冷板工作示意圖

2.1 計(jì)算原理

本文采用有限體積法熱仿真軟件FloEFD進(jìn)行傳熱分析，該方法積分形式的守恒方程為

式中：Ω為FVM方法當(dāng)中的控制體;Φ為通用變 量; Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù); S為廣義源項(xiàng)；4個(gè)積分項(xiàng)依次是瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)[1]。

2.2 邊界條件

冷板入口工質(zhì)（65#防凍液）流量為4 L/min，冷板工作溫度為50 ℃，壓力為0.5 MPa；中間板換熱功率為43.52 W，兩邊冷板板換熱功率各為21.76 W。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖4展示了速度跡線分布圖，可以看出冷卻液順利地進(jìn)入了各個(gè)冷板。圖5展示了壓損流線分布圖，總壓損為20 kPa左右，約為進(jìn)口壓力的4%。

圖4 速度跡線分布圖

圖5 壓損流線分布圖

圖6展示了發(fā)熱面的溫度分布，從圖中可以看出中間小冷板表面溫度最大為51.06 ℃，左右兩邊大冷板表面溫度最大為50.35 ℃，完全滿足T＜85 ℃的換熱需求，并且最大溫差為1 ℃。

圖6 溫度場(chǎng)分布圖

3 強(qiáng)度仿真分析

為防止因?yàn)榱鞯辣诤癫蛔銦o(wú)法承受水壓導(dǎo)致的冷卻液泄漏，本文運(yùn)用ANSYS Workbech中Static Structure模塊對(duì)冷板進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。

3.1 邊界條件

對(duì)3塊冷板均施加1 MPa的均勻內(nèi)壓，并在結(jié)構(gòu)的水平方向和底面（與組件緊貼的面）添加無(wú)摩擦支撐的約束，其他無(wú)約束表面給定0.1 MPa大氣壓。鋁合金在冷板工作狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度為170 MPa。

圖7 小冷板應(yīng)力云圖

圖8 大冷板應(yīng)力云圖

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

從圖7和圖8中計(jì)算結(jié)果可以看出，小冷板最大應(yīng)力為20 MPa，左右大冷板最大應(yīng)力為7 MPa，均遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證4

.1 試驗(yàn)原理

對(duì)該低剖面天線進(jìn)行組裝測(cè)試，測(cè)試原理如圖9所示，測(cè)試裝置包括液冷源、流量計(jì)、三通接頭、冷板、熱電偶、調(diào)節(jié)閥門等[3]。試驗(yàn)裝置如圖10～圖13所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)中對(duì)冷板的流量進(jìn)行控制為4 L/min，工作穩(wěn)定后運(yùn)用熱電偶測(cè)量冷板表面溫度如表1所示。

從表1可以看出，左右大冷板表面溫度最大為51.28 ℃，與數(shù)值模擬誤差不超過(guò)1.9%，小冷板最大溫度為52.7 ℃，誤差稍大為3.2%。

圖9 試驗(yàn)裝置原理示意圖

圖10 冷板上組件

圖11 天線陣面正面

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用3D打印成型工藝設(shè)計(jì)了一種緊耦合低剖面相控陣天線液冷冷板，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：1）該冷板設(shè)計(jì)在在避開(kāi)眾多插孔的前提下，厚度僅為4.5 mm，整個(gè)天線陣面厚度僅為30 mm，滿足共形隱身要求的低剖面設(shè)計(jì)要求；2）從數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該冷板插排肋柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的導(dǎo)流和均壓作用，整個(gè)冷板換熱性能良好。

圖12 天線陣面背面

圖13 液冷源

表1 冷板表面溫度 ℃

該冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于多開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的低剖面的相控陣天線液冷冷板設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。