某相控陣陣面熱設(shè)計(jì)及流量分配研究*

司俊珊，劉 兵，馮志新

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川成都610036）

引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，在雷達(dá)與電子戰(zhàn)綜合一體化系統(tǒng)中，有源相控陣體制已經(jīng)成為唯一的選擇。有源相控陣天線(xiàn)陣面主要由T/R組件及陣列天線(xiàn)構(gòu)成。為滿(mǎn)足高功率放大要求，作為核心器件的T/R組件，因芯片的集成化程度越來(lái)越高，不僅熱耗急劇增長(zhǎng)，熱流密度也越來(lái)越大，成為陣面最主要的熱源。美國(guó)海軍預(yù)測(cè)未來(lái)T/R組件的熱流密度有可能突破1 000 W/cm2[1]。長(zhǎng)期過(guò)熱是導(dǎo)致電子元器件失效的主要因素。美空軍整體計(jì)劃分析報(bào)告里指出：電子設(shè)備的失效55%是由溫度引起的；“10?C法則”也明確指出：半導(dǎo)體器件的溫度每升高10?C，其可靠性就會(huì)降低50%[2]。高熱耗、高熱流密度使得有源相控陣陣面散熱設(shè)計(jì)成為相控陣設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

相位一致性是T/R組件最重要的指標(biāo)之一，T/R組件之間通道相位不一致將直接導(dǎo)致有源相控陣天線(xiàn)發(fā)射波束或接收波束指向偏移，而T/R組件通道相位一致性在很大程度上取決于其中功率放大器的相位一致性。功率放大器工作穩(wěn)定，則其相位穩(wěn)定，相互之間的相位一致性高。功率放大器為功率器件，效率低導(dǎo)致熱耗高、熱流密度大，過(guò)高的工作溫度導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，不僅嚴(yán)重影響相位穩(wěn)定，也造成相互之間相位差異極大，所以嚴(yán)格控制功率放大器的工作溫度及其均溫性是有源相控陣陣面熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，液冷系統(tǒng)是解決有源相控陣散熱問(wèn)題行之有效的主要手段之一，其流量合理分配是控制T/R組件之間溫度差異的關(guān)鍵保證。

1 熱設(shè)計(jì)方案

某相控陣陣面共計(jì)126個(gè)T/R組件，單個(gè)T/R組件含4個(gè)熱耗為32 W的功率芯片，芯片熱流密度為110 W/cm2，全陣總熱耗為16.128 kW。陣面熱設(shè)計(jì)要求為：1）T/R組件底板溫度≤75?C；2）陣面T/R組件底板之間溫度差≤10?C。

根據(jù)布陣特點(diǎn)，綜合考慮熱設(shè)計(jì)要求及液冷系統(tǒng)流量分配合理性，散熱方案如圖1所示：陣面左右端設(shè)置分液腔、集液腔，與基座集成化設(shè)計(jì)為一體，總進(jìn)、出液口采用相同型號(hào)通徑Φ8 mm的卡扣式快換接頭。每行T/R組件共用一個(gè)冷板，各行冷板除長(zhǎng)度存在差異外，在結(jié)構(gòu)形式（含流道）、外形尺寸（寬度和厚度）與材料選用等其他方面均完全一致。所有冷板進(jìn)、出液口使用相同型號(hào)通徑Φ3 mm的盲插連接器與分、集液腔并聯(lián)連接。

圖1 陣面布陣及熱設(shè)計(jì)方案

圖1所示的相控陣共有28個(gè)長(zhǎng)短各異、熱耗不同的并聯(lián)冷板。為了能夠有效控制T/R組件之間的溫度差異，采取等流阻流量均分的分流設(shè)計(jì)，這樣可以極大減少流量種類(lèi)，降低分流設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，提高了工程可實(shí)現(xiàn)性。

該相控陣無(wú)外部熱源，外界大氣環(huán)境對(duì)液冷系統(tǒng)的影響較小，可以忽略不計(jì)，認(rèn)為并聯(lián)冷板冷卻液入口端溫度一致；在流量相等的條件下，出口端溫度取決于冷板承載的熱耗，熱耗越高，出口端冷卻液溫度越高，出口端T/R組件底板溫度越高。據(jù)此分析，陣面T/R組件底板最高溫度及最高溫度不均一性發(fā)生于最長(zhǎng)冷板。換言之，只要保證最長(zhǎng)冷板上T/R組件底板最高溫度和最大溫差分別不大于75?C和10?C，即可保證陣面熱設(shè)計(jì)要求。按此思路，先計(jì)算陣面散熱所需總流量，按冷板數(shù)量平均分配；將分配結(jié)果作為輸入條件，運(yùn)用仿真軟件對(duì)最長(zhǎng)冷板開(kāi)展熱仿真分析，校核T/R組件底板最高溫度與最大溫差是否滿(mǎn)足熱設(shè)計(jì)要求。

2 流量計(jì)算

根據(jù)能量守恒及穩(wěn)定態(tài)流動(dòng)熱能方程，液冷系統(tǒng)中冷卻劑吸收的熱量與冷卻劑的流量、比熱容及進(jìn)出口溫差的關(guān)系為：

式中：Φ為冷卻劑吸收的熱量，W；qm為冷卻劑的質(zhì)量流量，kg/s；Cp為冷卻劑的定壓比熱容，J/（kg·K）；t2為冷卻劑出口溫度，?C；t1為冷卻劑入口溫度，?C。

通常認(rèn)為冷卻劑溫度越低越有利于散熱。根據(jù)流體力學(xué)，液體溫度降低，動(dòng)力粘度升高，液體流速降低；動(dòng)力粘度ν與雷諾數(shù)Re，液體流速V及管道直徑D的關(guān)系[3]為：

根據(jù)臨界雷諾數(shù)（Re=2 000）判定流態(tài)（層流或紊流），大于臨界雷諾數(shù)為紊流，否則是層流。根據(jù)傳熱學(xué)理論，對(duì)流換熱在靠近固體壁面的紊流核心區(qū)主要依靠渦漩流這種更強(qiáng)烈的對(duì)流效應(yīng)傳遞熱量，紊流邊界層段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于層流邊界層段，紊流流態(tài)更有利于散熱[4]。所以，冷卻劑溫度并非越低越好，選取適當(dāng)?shù)臏囟?，冷卻劑動(dòng)力粘度低、流速高、雷諾數(shù)大，紊流度足夠，對(duì)流換熱效果好。

目前，相控陣液冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)普遍選用AF65#航空防凍液，其優(yōu)點(diǎn)是冰點(diǎn)低、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)較高，缺點(diǎn)是動(dòng)力粘度隨溫度降低而大幅升高。權(quán)衡考慮為相控陣提供冷卻劑的二次冷卻裝置的重量、體積及成本，本熱設(shè)計(jì)方案設(shè)定冷卻液入口溫度不大于20?C，此時(shí)AF65#航空防凍液的熱性能參數(shù)如表1所示。

表1 AF65#航空防凍液熱性能參數(shù)（20?C）

取冷卻劑進(jìn)出口溫差為5?C，根據(jù)式（1）計(jì)算得出冷卻劑總體積流量Q=59.2 L/min。則采用流量均分設(shè)計(jì)方案時(shí)，全陣28個(gè)冷板每個(gè)冷板的分配流量約為2.11 L/min。

3 仿真分析

對(duì)最長(zhǎng)冷板開(kāi)展熱仿真分析，獲得T/R組件底板最高溫度與最大溫度差，校核分配流量是否滿(mǎn)足散熱需求與熱設(shè)計(jì)要求。

3.1 邊界條件

冷卻介質(zhì)為AF65#航空防凍液；供液溫度為20?C；供液流量為2.11 L/min。

3.2 仿真模型

采用ANSYS CFX開(kāi)展仿真分析，根據(jù)軟件的建模特點(diǎn)和要求，在確保仿真結(jié)果不失真的前提下，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1）忽略輻射及空氣對(duì)流散熱；2）忽略與散熱無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)，如螺釘及螺釘孔。

冷板總熱耗為1 536 W，每個(gè)T/R組件內(nèi)含4個(gè)熱耗為32 W，熱流密度為110 W/cm2的功放芯片，芯片用導(dǎo)熱銀膠（厚度為0.05 mm）與鉬銅載板粘貼。鉬銅載板尺寸為14 mm（長(zhǎng)）×5.6 mm（寬）×0.8 mm（厚），導(dǎo)熱系數(shù)為185 W/（m·K），焊接在厚度為1.6 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為170 W/（m·K）的鋁合金盒體上。

冷板材料5A06鋁合金的密度為2 700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為167 W/（m·?C）。冷板內(nèi)流道采用串并聯(lián)形式內(nèi)置微小槽道，槽道尺寸為5 mm（高）×0.5 mm（寬）×0.5 mm（肋厚）。T/R組件盒體與冷板之間均勻涂抹導(dǎo)熱脂，接觸熱阻取2.32×10?4m2·K/W[5]。

計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，入口為速度進(jìn)口，收斂標(biāo)準(zhǔn)是判斷各物理量的相對(duì)殘差小于10?6，計(jì)算步長(zhǎng)為300。

3.3 仿真結(jié)果

經(jīng)仿真計(jì)算，最長(zhǎng)冷板T/R組件底板熱源位置溫度分布如圖2所示，熱源位置最高和最低溫度分別為67.71?C和62.21?C，溫差為5.5?C，滿(mǎn)足最高溫度不超過(guò)75?C，最大溫差不超過(guò)10?C的熱設(shè)計(jì)要求。

圖2 T/R組件底板溫度分布云圖

4 流量分配

流量與流阻密切相關(guān)，進(jìn)行流量分配必須對(duì)系統(tǒng)的流阻進(jìn)行校核，圖1所示陣面流量的分配采取各冷板等流阻匹配設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)流體力學(xué)，流量、壓力損失及流阻的關(guān)系[6]為：

式中：?P為系統(tǒng)總壓力損失，N/cm2；Z總為總流阻，N·s2/m3；Q為流量，m3/h。

總流阻Z總由沿程流阻和局部流阻兩部分組成。沿程流阻由流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變（層流變紊流）、流道的粗糙度及流道截面的形狀造成，沿程流阻造成沿程壓力損失；局部流阻由流體運(yùn)動(dòng)方向、流速大小及流動(dòng)截面的改變?cè)斐桑植苛髯柙斐删植繅毫p失。系統(tǒng)總壓力損失?P為沿程壓力損失與局部壓力損失之和。

相控陣液冷系統(tǒng)并聯(lián)各行冷板的總壓力損失組成如圖3所示。

圖3 并聯(lián)各行冷板總壓力損失組成

根據(jù)流體力學(xué)，并聯(lián)管路各支路總壓力損失相等，即：

液冷系統(tǒng)并聯(lián)冷板各支路總壓力損失由以下幾部分組成：分液腔入口到各行冷板入口的壓力損失P1n(n=1,2,···,28)；各行冷板出口到集液腔出口的壓力損失P2n(n=1,2,···,28)；各行冷板內(nèi)部壓力損失P3n(n=1,2,···,28)；各行冷板與分/集液腔連接處壓力損失P4n(n=1,2,···,28)；P1和P2位于液冷系統(tǒng)總進(jìn)出口端，只影響液冷系統(tǒng)總壓力損失，對(duì)流量分配無(wú)影響。各行冷板與分/集液腔之間的液冷接頭選擇同一型號(hào)，在等流量條件下壓力損失相等，P4n對(duì)流量分配無(wú)影響。分/集液腔尺寸相同且體積較小，經(jīng)仿真計(jì)算，P1n之間及P2n之間誤差均小于1%且較P3n小了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)流量分配影響較小，忽略不計(jì)，分/集液腔可近似看作等壓腔。

綜上所述，各行冷板的流量分配主要由P3n決定。由圖1可以看出，各行冷板長(zhǎng)短不同，在相同流量條件下，各行冷板流阻不等。通過(guò)仿真計(jì)算得到各行冷板壓力損失P3n，按照等流阻設(shè)計(jì)原則，以最長(zhǎng)冷板流阻（圖4）為基準(zhǔn)，其余各行冷板入口設(shè)置流通截面可調(diào)節(jié)流環(huán)以增加流阻，分別對(duì)各冷板在額定流量下進(jìn)行流阻測(cè)試，微調(diào)節(jié)流環(huán)流通截面直至流阻與最長(zhǎng)冷板相同，保證各行冷板支路流阻一致，實(shí)現(xiàn)陣面流量均分設(shè)計(jì)。

圖4 最長(zhǎng)冷板流阻仿真

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

采用薄膜電阻模擬熱源，溫度傳感器采用T系列銅–康銅熱電偶，溫度采集使用160通道美國(guó)吉時(shí)利公司的2701數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)薄膜電阻值及熱耗計(jì)算輸入28 V直流電流，對(duì)全陣進(jìn)行溫度測(cè)試，如圖4所示。

圖5 全陣溫度測(cè)試

最長(zhǎng)、最短冷板溫度測(cè)試結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，T/R組件底板最高溫度為68.3?C（小于75?C），最低溫度為62.5?C，溫度差為5.8?C（小于10?C），均滿(mǎn)足陣面熱設(shè)計(jì)要求。

表2 最長(zhǎng)、最短冷板溫度測(cè)試結(jié)果

工程上流量測(cè)試一般分為在各支路串入流量計(jì)的直接測(cè)試法和采用超聲波的非接觸測(cè)試法。對(duì)于圖1所示的相控陣，因其結(jié)構(gòu)集成度極高，兩種測(cè)試方法均難以實(shí)施，因此以溫度測(cè)試結(jié)果間接驗(yàn)證流量分配。從表2溫度測(cè)試結(jié)果可以看出，流量分配滿(mǎn)足散熱需求，流量分配設(shè)計(jì)合理可行。

由溫度測(cè)試結(jié)果分析可知，造成測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間偏差的主要因素如下：

1）測(cè)試樣件T/R組件與冷板之間導(dǎo)熱脂涂抹不均勻，導(dǎo)致接觸熱阻不一致，增加了溫度差異；工程應(yīng)用中同樣需要面對(duì)此問(wèn)題，可通過(guò)完善工藝手段盡可能減小導(dǎo)熱脂涂抹的不均勻度。

2）測(cè)試用薄膜電阻之間阻值差異導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量不一致；實(shí)際工程中，功率芯片裝入T/R組件之前均要通過(guò)篩選，可在較大程度上避免該問(wèn)題。

3）節(jié)流環(huán)調(diào)節(jié)存在一定誤差，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減小調(diào)節(jié)誤差。

4）為便于節(jié)流環(huán)調(diào)節(jié)，冷板樣件與分/集液腔采用的是等長(zhǎng)軟管連接；實(shí)際工程應(yīng)用的冷板通過(guò)盲插接頭直接與分/集液腔連接，可避免該誤差。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的相控陣規(guī)模雖然不大，但其熱設(shè)計(jì)及流量分配設(shè)計(jì)思路對(duì)更大型相控陣或分布式液冷系統(tǒng)均具有較高的借鑒價(jià)值。采取合理的分層和分塊，將大型相控陣或復(fù)雜液冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為若干小型并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，按照流阻匹配進(jìn)行流量分配，使大型、緊湊度高的相控陣及復(fù)雜液冷系統(tǒng)的流量分配難度極大降低，提高工程可實(shí)現(xiàn)性。