某相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的熱設(shè)計與驗證*

賀奎尚，劉紹武，王 洪，陸棟棟，張健軍

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

引 言

為了滿足末端機(jī)動伴隨防御武器系統(tǒng)的研制需求，業(yè)界提出了搜索跟蹤制導(dǎo)一體化雷達(dá)天線方案。該方案的天線陣面是高熱流密度有源子陣和高密度電子設(shè)備的集成系統(tǒng)，且長期在惡劣環(huán)境下運(yùn)行。當(dāng)天線陣面工作時，輸出功率僅為輸入功率的一小部分，大部分的功率以熱能的形式耗散出去。如果不將熱能快速傳遞出去，會造成熱量的堆積，導(dǎo)致元器件的結(jié)點(diǎn)溫度急劇升高，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過器件的安全結(jié)溫時，元件就會失效[1]。研究表明，功率器件的失效率隨器件溫度呈指數(shù)關(guān)系增長，溫升50°C時器件的壽命只有溫升25°C時的1/6，超過55%的電子設(shè)備失效形式是由溫度過高引起的[2]。在實(shí)際工作中，熱量不能及時散出可能會導(dǎo)致器件溫度過高甚至被燒毀，從而影響電路的可靠性和壽命[3]。因此，天線陣面熱設(shè)計的合理性將直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。

天線陣面散熱系統(tǒng)的作用是在陣面熱源（單機(jī)、組件、電源模塊等）與外界環(huán)境之間建立一條低熱阻通道，把熱源產(chǎn)生的熱量傳遞出去，最終排放到大氣中，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的溫度環(huán)境[4]。本文以某相控陣?yán)走_(dá)天線陣面為對象，根據(jù)天線陣面結(jié)構(gòu)組成，開展天線陣面和有源子陣兩個層級的熱設(shè)計研究，解決高熱流密度相控陣天線陣面散熱問題。

1 天線陣面結(jié)構(gòu)組成及散熱方案設(shè)計

1.1 天線陣面結(jié)構(gòu)組成

天線陣面散熱方式主要有液冷和強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻兩種[5]，考慮經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素，本天線陣面采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的散熱方式。如圖1所示，天線陣面散熱結(jié)構(gòu)主要集成在陣面門板上，主要由門板框架、風(fēng)-風(fēng)換熱器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)及內(nèi)循環(huán)風(fēng)道組成，4塊相同尺寸的風(fēng)-風(fēng)換熱器將陣面分成4個散熱區(qū)域。

圖1 門板透明化后的天線陣面示意圖

1.2 天線陣面散熱方案設(shè)計

本天線陣面總熱耗為7 400 W，當(dāng)環(huán)境溫度為50°C時，組件殼體最高溫度要求小于85°C，天線陣面組件殼體溫差要求不高于10°C。天線陣面采用高效風(fēng)-風(fēng)換熱器方案，它既能滿足天線陣面熱性能要求，又能使天線陣面的內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境完全隔離，防止灰塵、雨水、煙霧等對天線陣面內(nèi)部電子設(shè)備的侵蝕。如圖2所示，內(nèi)循環(huán)風(fēng)道與外循環(huán)風(fēng)道交錯多層次排布，風(fēng)道內(nèi)均布置有齒厚0.2 mm，齒距2 mm的波紋片，整體焊接而成。

圖2 風(fēng)-風(fēng)換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 外循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)

外循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖3所示。外環(huán)境的冷空氣從門兩側(cè)的百葉窗進(jìn)入風(fēng)-風(fēng)換熱器，在風(fēng)-風(fēng)換熱器內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷熱空氣交換，外循環(huán)風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，將交換完成的熱空氣排放到大氣環(huán)境中。

圖3 外循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)剖面示意圖

1.2.2 內(nèi)循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)

如圖4所示，內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)向上吸風(fēng)，天線陣面內(nèi)的熱空氣經(jīng)風(fēng)-風(fēng)換熱器熱交換冷卻后由內(nèi)循環(huán)風(fēng)道以并聯(lián)的送風(fēng)方式均勻分配給天線陣面有源子陣，對有源子陣進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻散熱，有源子陣被帶走的熱空氣再經(jīng)過內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動進(jìn)入風(fēng)-風(fēng)換熱器。天線陣面內(nèi)部流場完成一個自閉環(huán)，從而避免外部惡劣空氣環(huán)境對天線陣面內(nèi)電子元器件的影響。

圖4 內(nèi)循環(huán)散熱結(jié)構(gòu)剖面示意圖

1.3 風(fēng)-風(fēng)換熱器傳熱系數(shù)計算

1.3.1 熱交換器理論公式

熱交換器熱計算的基本公式包括冷熱流體的熱平衡方程和熱交換的傳熱方程，即：

式中：Δtmax表示熱流體入口溫度與冷流體出口溫度之差或者熱流體出口溫度與冷流體入口溫度之差中的大者；Δtmin表示其小者。

1.3.2 熱交換器設(shè)計計算

（1）熱流體、冷流體風(fēng)量計算

φ= 7 400 W，當(dāng)環(huán)境溫度為50°C，cp=1 005 J/(kg·°C)，空氣密度ρ=1.09 kg/m3時：

（2）對數(shù)平均溫差計算

環(huán)境溫度為50°C，外循環(huán)冷流體溫升為15°C，外循環(huán)出風(fēng)口溫度為65°C；內(nèi)循環(huán)熱流體出風(fēng)口溫度設(shè)為58°C，內(nèi)循環(huán)熱流體溫升為13°C，內(nèi)循環(huán)熱流體入口溫度為71°C。對數(shù)平均溫度差為：

（3）傳熱面積計算

采用板翅式換熱器進(jìn)行換熱的傳熱系數(shù)一般為30～35 W/(m2·°C)，取30 W/(m2·°C)。傳熱面積為：

（4）傳熱面積的校核

受整機(jī)系統(tǒng)空間的限制，僅可放置4塊板翅式換熱器。換熱器內(nèi)焊接平直肋片，翅片高10 mm，厚0.2 mm，翅間距為2 mm，長度為480 mm，由此可以計算模型換熱器的傳熱面積：

A1≥A，產(chǎn)品設(shè)計的傳熱面積大于理論計算所需要的面積，滿足設(shè)計要求，設(shè)計余量為19%。

（5）熱流體、冷流體計算校核

受整機(jī)系統(tǒng)空間的限制，內(nèi)/外風(fēng)機(jī)（各10臺）的風(fēng)流方向均向上（背離子陣方向），風(fēng)機(jī)選型為EBM 3214JH4。風(fēng)機(jī)在工作點(diǎn)區(qū)域的送風(fēng)量最大可達(dá)到220 m3/h，10個風(fēng)機(jī)共可達(dá)2 200 m3/h。

2 有源子陣結(jié)構(gòu)組成及散熱方案設(shè)計

有源子陣主要由子陣散熱器、干冷板、組件、子陣電源及激勵器電源組成。每個有源子陣熱耗為100 W，其中每個組件熱耗為7 W，每塊干冷板安裝4個組件，子陣電源和激勵器電源熱耗各為4 W。由于有源子陣采用磚式設(shè)計，組件熱源位置到系統(tǒng)散熱面的熱傳導(dǎo)距離較遠(yuǎn)，所以在有源子陣散熱器基板內(nèi)安裝高導(dǎo)熱熱管，如圖5所示，將底部熱量快速傳遞至上側(cè)散熱翅片上。同時在每塊干冷板上內(nèi)置橫向熱管，將組件產(chǎn)生的熱量由干冷板傳遞給有源子陣散熱器，再豎直傳遞到系統(tǒng)散熱肋片區(qū)域，進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻散熱。

圖5 有源子陣結(jié)構(gòu)組成及散熱方式示意圖

3 數(shù)值分析和實(shí)測對比分析

天線陣面被4塊相同尺寸的風(fēng)-風(fēng)換熱器分成4個相同的散熱區(qū)域，為縮減計算規(guī)模，選取1/4陣面有源子陣進(jìn)行溫度場仿真，分析天線陣面組件殼體的均溫性。然后根據(jù)內(nèi)循環(huán)風(fēng)道為有源子陣提供的送風(fēng)量，對有源子陣加載溫度場求解。最后搭建1/4天線陣面實(shí)驗平臺，驗證數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和天線陣面熱設(shè)計方案的合理性。

3.1 仿真模型及邊界條件

對天線陣面模型進(jìn)行簡化處理：有源子陣替換成等包絡(luò)尺寸的實(shí)體；陣面框架簡化特征僅保留外形結(jié)構(gòu)；風(fēng)-風(fēng)換熱器內(nèi)部為空腔；內(nèi)部波紋片結(jié)構(gòu)通風(fēng)率超過90%，對風(fēng)壓影響不大，忽略不計。

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

3.2.1 天線陣面流場仿真結(jié)果

外循環(huán)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)約為(180 m3/h,340 Pa)，外循環(huán)總風(fēng)量約為1 800 m3/h。內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)約為(200 m3/h,310 Pa)，內(nèi)循環(huán)總風(fēng)量約為2 000 m3/h，滿足供風(fēng)量的需求。

內(nèi)風(fēng)道供風(fēng)口位置截面速度云圖如圖6所示，供風(fēng)口尺寸由外側(cè)向內(nèi)逐步增大，有利于風(fēng)量均勻分配。由速度云圖可知，64組供風(fēng)口風(fēng)量大致相同，風(fēng)速約為3.4～6.9 m/s。

圖6 供風(fēng)口位置截面速度云圖

3.2.2 1/4天線陣面仿真結(jié)果

圖7為1/4天線陣面有源子陣干冷板的溫度云圖。從圖中可以看出，有源子陣干冷板表面最高溫度為79.2°C，最低溫度為71.0°C，表面溫差約為8.2°C，滿足天線陣面組件殼體均溫性要求。

圖7 1/4陣面有源子陣干冷板溫度云圖

3.2.3 有源子陣仿真結(jié)果

當(dāng)環(huán)境溫度為50°C時，內(nèi)循環(huán)出風(fēng)溫度為58°C，內(nèi)循環(huán)對單個有源子陣的供風(fēng)量為31 m3/h，組件殼體最高溫度為81.3°C。

如圖8所示，有源子陣散熱翅片基板的最高溫度約為76.0°C，散熱翅片的溫度約為61°C～65°C。散熱翅片間表面流速約為3 m/s，組件殼體附近區(qū)域的風(fēng)溫約為72°C。

圖8 有源子陣散熱翅片的風(fēng)速和溫度云圖

3.3 測試結(jié)果及分析

在搭建測試平臺時，將1/4天線陣面放置于50°C的恒溫箱中，并保證風(fēng)-風(fēng)換熱器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)、有源子陣、均壓腔及風(fēng)道連接可靠，不存在漏風(fēng)等情況。接觸調(diào)壓器控制熱電偶的輸出功率，溫度傳感器監(jiān)測16個干冷板熱源附近溫度和內(nèi)外循環(huán)進(jìn)出風(fēng)口處溫度并反饋到計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲和處理。

溫度平衡時，內(nèi)循環(huán)出風(fēng)溫度為54.3°C，進(jìn)風(fēng)溫度為65.0°C，外循環(huán)進(jìn)風(fēng)溫度為50.8°C，出風(fēng)溫度為60.2°C，內(nèi)循環(huán)進(jìn)出風(fēng)溫升為10.7°C，外循環(huán)進(jìn)出風(fēng)溫升為9.4°C。有源子陣干冷板測試的最高溫度為84°C，最低溫度為74°C，溫差為10°C。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，有源子陣干冷板仿真的最高溫度為79.2°C，溫差為8.2°C。由于仿真分析時進(jìn)行了模型簡化，因此實(shí)測結(jié)果比仿真結(jié)果偏高，但測試和仿真的誤差約為6%，在合理范圍內(nèi)。因此，針對天線陣面的風(fēng)速場和溫度場的數(shù)值仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的，天線陣面的整體熱設(shè)計方案合理可行，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文以某相控陣?yán)走_(dá)天線陣面為例，采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻和熱管傳熱冷卻方法，定制系統(tǒng)和有源子陣兩個層級的熱設(shè)計方案。首次在相控陣陣面上使用高效風(fēng)-風(fēng)換熱器，提高陣面內(nèi)部與外部環(huán)境的熱交換效率，在有源子陣內(nèi)使用高導(dǎo)熱熱管，可將子陣內(nèi)的熱量高效傳導(dǎo)至散熱翅片上。該熱設(shè)計方案有效地解決了高熱流密度有源相控陣天線陣面散熱問題，可為其他采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻解決高熱流密度相控陣天線散熱問題的研究提供參考。