相控陣天線散熱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

王業(yè)文 吳文友 劉紹武 崔 智 張 帥

相控陣天線散熱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

王業(yè)文 吳文友 劉紹武 崔 智 張 帥

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

描述一種可擴(kuò)展相控陣天線陣面的散熱結(jié)構(gòu)組成，對其采用的多級串聯(lián)液冷散熱方式進(jìn)行詳細(xì)論述，建立該種散熱方式的數(shù)學(xué)模型。利用熱試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)論證并求解數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析天線陣面的散熱性能，同時(shí)分析了該類型散熱方式的各影響因素，得出陣面擴(kuò)展時(shí)溫度場變化值進(jìn)行量化的方法，可實(shí)現(xiàn)陣面擴(kuò)展時(shí)散熱性能的快速評估。

相控陣天線；子陣；液冷散熱；試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1 引言

現(xiàn)代雷達(dá)中，有源相控陣?yán)走_(dá)具有探測威力大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的發(fā)熱組件的高密度封裝使發(fā)熱組件的熱流密度迅速提高,因此必須對天線陣面進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)和熱控制，以保證天線陣面的可靠性和使用壽命[1]。隨著相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展，未來的天線陣面尺寸將會(huì)變得更大，結(jié)構(gòu)更緊湊，陣面結(jié)構(gòu)布局的復(fù)雜度也越來越高?，F(xiàn)代雷達(dá)越來越重視可擴(kuò)展性和高度模塊化，改變子陣的不同排序方式，可以擴(kuò)展成滿足不同需求的大陣[2]。

在天線陣面研制階段，先期通過仿真的方法確定設(shè)計(jì)方案，然后通過制作試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行熱試驗(yàn)論證產(chǎn)品天線陣面的散熱性能。由于試驗(yàn)樣機(jī)與最終的陣面結(jié)構(gòu)存在區(qū)別，須對處理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后建立可靠的數(shù)學(xué)模型，推算出整個(gè)陣面的散熱情況[3]。

本文介紹一種有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的串聯(lián)散熱結(jié)構(gòu)和熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，驗(yàn)證該天線陣面的散熱能力。根據(jù)天線陣面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其傳熱學(xué)特性,建立了數(shù)學(xué)模型，通過試驗(yàn)測出的數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型校正求解，表明建立的模型和求解方法正確有效。因此,本文建立的天線陣面結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)學(xué)模型可為該類散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù),并能為該類天線陣面的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供手段。

2 天線陣面散熱結(jié)構(gòu)

天線陣面采用子陣結(jié)構(gòu)，如圖1所示。天線子陣和天線單元分別固定在液冷板兩側(cè)，通過盲插射頻連接器連接。組件子陣由3塊干冷板組件裝配而成，包含發(fā)熱組件、激勵(lì)器、電源、功分網(wǎng)絡(luò)等。液冷板內(nèi)的冷卻液沿長度方向單向流動(dòng)，干冷板不通冷卻液。該設(shè)計(jì)使陣面結(jié)構(gòu)模塊化，簡化了陣面的整體裝配、維修，并且電氣元件均安裝在組件子陣上使電液分離，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖1 陣面結(jié)構(gòu)圖

工程實(shí)際中一般對若干關(guān)鍵位置的溫度，采用類似于傳熱學(xué)中的集中參數(shù)法[4]分析，即把散熱過程等效成若干關(guān)鍵位置的熱量傳遞。散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中熱量的傳遞可近似地分為以下幾個(gè)過程，每個(gè)過程設(shè)等效溫差和等效熱阻：

a. 熱量由發(fā)熱組件（位置1）傳遞到與干冷板上的接觸面（位置2），等效熱阻為1；

b. 熱量在干冷板內(nèi)部傳導(dǎo)，由與發(fā)熱組件的接觸面（位置2）到與液冷板的接觸面（位置3），等效熱阻為2；

c. 熱量由干冷板（位置3）傳遞到液冷板（位置4），等效熱阻為3；

d. 熱量由液冷板（位置4）傳遞給冷卻液，等效熱阻為4。

圖2 散熱結(jié)構(gòu)模型圖

每個(gè)干冷板上的發(fā)熱組件熱量傳導(dǎo)具有以下特點(diǎn)：均沿位置1至位置4傳導(dǎo)，其傳導(dǎo)路徑相同；各個(gè)干冷板上的發(fā)熱組件熱耗相同；各個(gè)干冷板結(jié)構(gòu)形式完全相同；干冷板之間距離相等。因此可作以下假設(shè)：

根據(jù)以上假設(shè)可建立位置1到位置4的熱量傳遞路徑如圖3所示，按照圖3建立的溫度方程如下：

式中：——相鄰干冷板同位置溫差；——位置i的溫度系數(shù)。

3 試驗(yàn)陣面

圖4 試驗(yàn)陣面結(jié)構(gòu)圖

通過試驗(yàn)的方法驗(yàn)證式（1）的溫度數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)陣面結(jié)構(gòu)由4個(gè)子陣組成，共12塊干冷板，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)陣面外表面覆蓋保溫材料，減少外界環(huán)境對試驗(yàn)的影響，用模擬熱源代替實(shí)際中的發(fā)熱組件，通過控制發(fā)熱組件輸入端的電壓調(diào)整發(fā)熱功率。模擬熱源由熱源組合件（包括加熱片、隔熱壓塊、導(dǎo)熱塊和熱電偶）和穩(wěn)壓電源組成。加熱片采用熱電阻方式，其熱量通過導(dǎo)熱塊傳遞到冷板，以達(dá)到模擬熱源對干冷板加熱的功能，加熱片功率可通過調(diào)節(jié)電源輸出功率實(shí)現(xiàn)。將熱源組合件固定在干冷板上。穩(wěn)壓電源向加熱片提供穩(wěn)定的電流，使加熱片能實(shí)現(xiàn)完全模擬熱源的要求。

在圖3所述的各位置附近，每個(gè)干冷板選取相同位置做為測試點(diǎn)，試驗(yàn)陣面中對應(yīng)的測點(diǎn)位置如圖5所示。通過紅外熱成像儀結(jié)合熱電偶校正測得各測試點(diǎn)溫度，熱成像儀拍不到的位置粘貼了熱電偶，測點(diǎn)位置涂成黑色，統(tǒng)一發(fā)射率，提高熱成像儀的準(zhǔn)確率。

圖5 試驗(yàn)陣面測點(diǎn)位置圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

圖6 子陣1的熱成像儀溫度顯示

圖7 子陣2的熱成像儀溫度顯示

圖8 子陣3的熱成像儀溫度顯示

圖9 子陣4的熱成像儀溫度顯示

冷卻液定性溫度取進(jìn)液溫度與出液溫度平均值23.6℃，對應(yīng)冷卻液比熱為4200J/kg?℃，密度為1000kg/m3。熱成像儀采集到的數(shù)據(jù)如圖6～圖9所示。

分析熱成像儀以及熱電偶采集到的數(shù)據(jù)，整理成折線圖，如圖10所示。

圖10 各測試點(diǎn)溫度曲線

分析圖10所示數(shù)據(jù)，干冷板4至干冷板9的各位置溫度基本呈線性變化。這是由于液冷板進(jìn)出口的位置，流體流阻較大，與液冷板的換熱系數(shù)較高，同時(shí)試驗(yàn)件兩端有進(jìn)液管路和電纜，沒法做到完全保溫，環(huán)境熱輻射也造成影響，所以溫度會(huì)偏低；而在液冷板中間段流體狀態(tài)穩(wěn)定，與液冷板的換熱情況相同，因此測試溫度呈線性變化。綜上所述可認(rèn)為在相鄰干冷板的同一位置溫差相同，符合式（1）所示的數(shù)學(xué)模型。對圖10所示的干冷板4#至干冷板9#各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘線性擬合，如圖11所示。

圖11 各位置測試數(shù)據(jù)的擬合曲線

式（1）的數(shù)學(xué)模型描述了各干冷板各個(gè)關(guān)鍵位置的溫度變化趨勢，為進(jìn)一步研究提供了參考模型。

12個(gè)子陣對應(yīng)有36塊干冷板，則最高溫度第36塊干冷的位置1，計(jì)算得：

陣面擴(kuò)展計(jì)算時(shí)，忽略了冷板與冷卻液換熱系數(shù)的變化（即圖3中4的變化），以及冷卻液定性溫度的變化[5]。4的變化取決于冷卻液工質(zhì)物性參數(shù)及其流速，在同一類型的相控陣天線中，一般采用相同冷卻液工質(zhì)，流速也會(huì)控制在同一個(gè)范圍[6]，所以4的變化很小。同時(shí)冷卻液進(jìn)液溫度變化也在一個(gè)很小的范圍，所以定性溫度的變化對冷卻液比熱和密度影響比較小，因此通過式（4）推導(dǎo)出來的擴(kuò)展后陣面的溫度場接近正確值。

5 結(jié)束語

通過增加擴(kuò)大試驗(yàn)陣面的規(guī)?？梢蕴岣邷囟葴y量及散熱模型的精度。對相控陣天線陣面發(fā)熱組件散熱路徑的分析可以建立起串聯(lián)的散熱模型，并根據(jù)散熱模型建立線性數(shù)學(xué)方程。利用試驗(yàn)測試得到的各關(guān)鍵位置溫度驗(yàn)證數(shù)學(xué)方程，同時(shí)求得數(shù)學(xué)方程的各參數(shù)值。求得的數(shù)學(xué)方程描述了陣面結(jié)構(gòu)的散熱特性，各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻得到體現(xiàn)。通過上述分析可以得出決定陣面散熱性能的關(guān)鍵因素，同時(shí)提供了一種陣面擴(kuò)展后散熱性能評估的方法。

1 劉淑振，胡玲珊，程龍寶，等. 某寬帶雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的熱設(shè)計(jì)及仿真分析[J]. 航天制造技術(shù) 2021(4)：35～39

2 張金彪，王蓬. 型號(hào)產(chǎn)品熱測試及散熱改進(jìn)[J]. 信息通信 2017(7)：275～276

3 Lu TianJian. Thermal management of high power electronics with phase change cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, 43(2000): 2245～2256

4 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 高等教育出版社，2006

5 顧林衛(wèi). 電子系統(tǒng)的熱仿真及熱測試研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2011(3)：78～80

6 黃敏. 熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003

Research on Data Analysis of Cooling Structure on Phased Array Antennas

Wang Yewen Wu Wenyou Liu Shaowu Cui Zhi Zhang Shuai

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

This paper sketches a thermal structure of an array antenna, and discusses the ways of multistage liquid cooling. A mathematical model of heat dissipation is build, which is solved and improved through the heating experiment data. Based on the mathematical model, the performance of the heat dissipation of the array aperture is analysed, and the influence factors of the heat dissipation are analysed at the same time. The quantification method of temperature field variation during the expansion of the antennas can be used for rapid assenssment of the heat dissipation performance.

phased array antennas；submatrix；liquid cooling；data analysis

V476

A

王業(yè)文（1982），高級工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)；研究方向：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2021-09-11