某雷達(dá)天線電源熱設(shè)計(jì)及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 趙 文 楊徐路 羅序榮

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的多功能、高密度封裝、高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及體積小等特點(diǎn)的器件被應(yīng)用于電子設(shè)備。電子設(shè)備的相應(yīng)功率和熱流密度隨之增大，產(chǎn)生了更多的熱量。將產(chǎn)生的熱量散出去，才能夠保證電子設(shè)備可靠、穩(wěn)定工作?，F(xiàn)代的軍用電子設(shè)備對(duì)可靠性的要求越來越高，因而熱設(shè)計(jì)成為器件、設(shè)備和系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要內(nèi)容。雷達(dá)天線電源是相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分，天線電源模塊功率大、熱耗高且熱源集中，因此熱設(shè)計(jì)雷達(dá)電源是一項(xiàng)非常重要的工作。

1 冷卻方式的選擇

目前，電子設(shè)備主要使用的冷卻方法有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液冷等。在一些熱流密度不太高、溫升要求也不高的情況下，通常應(yīng)用自然冷卻方法。這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱器生產(chǎn)成本低且結(jié)構(gòu)可靠性高。因此，在考慮冷卻方法時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻方法[1-3]。

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展和雷達(dá)陣面內(nèi)的安裝密度與功率密度的不斷提高，采用自然冷卻已不能滿足要求。在一些熱流密度較大、溫升要求較高的設(shè)備中，多采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。雷達(dá)電子設(shè)備風(fēng)冷的基本模式是將高功耗元器件的熱量傳遞至底板上的散熱器，然后通過空氣對(duì)流帶走熱量[4]。

單個(gè)熱源發(fā)熱密度高且陣面內(nèi)的空間有很大限制時(shí)，通常采用液冷系統(tǒng)。液體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均比空氣大，因而可以減小各有關(guān)換熱環(huán)節(jié)的熱阻，提高冷卻效率。此外，液冷具有熱負(fù)載均勻、溫度梯度小和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)目標(biāo)是以最小的代價(jià)尋找一條熱傳遞的通道，即在發(fā)熱元器件和熱沉之間尋找低熱阻的通道，保證熱量順利傳遞出去，確保元器件的結(jié)溫低于允許值[5]。

在選擇冷卻方式時(shí)，要先確定電源模塊的熱流密度，再根據(jù)熱流密度的大小和溫升的要求選擇冷卻方式。某雷達(dá)天線電源模塊熱功耗為220 W，散熱面積為154 cm2，則電源模塊的的單位面積熱流密度為：

式中：?為單位面積熱流密度；Φ為設(shè)備總熱功耗；A為空間中實(shí)際有效參與散熱的面積。代入數(shù)值，計(jì)算可得?≈1.43 W·cm-2。

熱流密度與散熱方式對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1。根據(jù)散熱環(huán)境控制要求，天線陣面環(huán)境溫度為45 ℃。為保證電源模塊的可靠性，要求電源模塊表面溫度不大于65 ℃，因此溫升按小于10 ℃選取。

某雷達(dá)天線電源模塊熱流密度大、熱量集中且散熱量大，由圖1可知，適宜采用強(qiáng)迫液冷的散熱方案。

圖1 熱流密度與冷卻方式選擇

2 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 天線電源整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線電源由4個(gè)電源模塊組成，每個(gè)電源模塊主要分布有4個(gè)熱源，每個(gè)熱源與冷板的接觸面積為77 cm2。根據(jù)減重要求和安裝空間限制，每個(gè)電源模塊均使用一塊冷板散熱。為了提高散熱效率，將電源模塊的4個(gè)熱源分布在冷板兩側(cè)，如圖2所示。

圖2 冷板及熱源分布示意圖

冷板起到機(jī)械支撐和換熱的雙重作用，形成了天線電源的框架式結(jié)構(gòu)。4組電源模塊的冷板采用并聯(lián)方式連接，每個(gè)冷板內(nèi)部通過U型管路與液流分配合成器組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 天線電源結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真分析

考慮到冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度和計(jì)算量，對(duì)三維模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。去除不影響結(jié)構(gòu)的倒角和小安裝孔等細(xì)小特征以及接插件，通過設(shè)計(jì)計(jì)算確定天線電源冷板的結(jié)構(gòu)形式、流道通徑等參數(shù)，在三維建模的基礎(chǔ)上建立了有限元模型，如圖4所示。

圖4 冷板的簡(jiǎn)化后有限元模型

冷卻液進(jìn)口溫度為45 ℃，將熱源負(fù)載加在冷板上，求解天線電源冷板和天線電源整體的溫度場(chǎng)分布，分別如圖5和圖6所示。

圖5 天線電源冷板溫度場(chǎng)分布

圖6 天線電源整體溫度場(chǎng)分布

圖5（a）與圖5（b）的仿真結(jié)果表明，電源冷板最高溫度為55.978 ℃，其中冷卻液溫升為1.4 ℃，與計(jì)算結(jié)果56.11 ℃基本一致。由圖6（a）與圖6（b）可知，天線電源最高溫度為56.132 ℃，其中冷卻液溫升為1.5 ℃。

4 結(jié)語

針對(duì)某型號(hào)雷達(dá)天線電源的散熱要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真，數(shù)據(jù)一致性較好。該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在某型號(hào)有源相控陣天線中應(yīng)用，能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備提供適宜的工作溫度環(huán)境，解決了某有源相控陣?yán)走_(dá)天線散熱問題，保障了天線系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。