某相控陣天線T/R組件的熱分析

梅斌 田少陽 石金彥

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

某相控陣天線T/R組件的熱分析

梅斌 田少陽 石金彥

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

針對相控陣天線液冷系統(tǒng)存在的問題，提出采用熱管進(jìn)行熱傳導(dǎo)的冷卻方式。建立了某型相控陣天線T/R組件的模型，運(yùn)用Comsol Multiphysics分別對T/R組件進(jìn)行自然導(dǎo)熱冷卻和熱管導(dǎo)熱冷卻的仿真分析。仿真結(jié)果表明：對相控陣天線T/R組件冷卻而言，熱管熱傳導(dǎo)的冷卻方式不僅具有良好的冷卻效果，而且還解決了傳統(tǒng)液體冷卻接插頭漏液，管理維護(hù)難的問題。

相控陣天線；熱管；冷卻仿真

1 研究背景

T/R組件作為相控陣天線的核心部件，其性能決定相控陣天線的優(yōu)劣。相控陣天線往往有成千上萬個T/R組件。T/R組件在獲得高發(fā)射功率的同時，產(chǎn)生了大量的熱損耗。T/R組件受體積、重量、可維護(hù)性等因素的限制，組件模塊內(nèi)功放部分和電源模塊布局非常緊湊，因此組件的熱流密度較大［1］。如果組件熱損耗不能及時散發(fā)出去，隨著溫度的升高，組件內(nèi)的功率晶體管等元件的效率、壽命、可靠性等會急劇下降。因而，熱設(shè)計是T/R組件設(shè)計的重要內(nèi)容。

目前，相控陣天線T/R組件的冷卻方式主要有強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻等。應(yīng)用廣泛且技術(shù)比較成熟的是強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻。對T/R組件中大功率器件的散熱而言，液體冷卻比強(qiáng)迫風(fēng)冷的效果好。但相控陣天線系統(tǒng)中T/R組件數(shù)量龐大，使液體冷卻系統(tǒng)設(shè)備非常復(fù)雜、冷卻液接頭多且極易發(fā)生部分接頭漏水等［2］。熱管作為一種新型的傳熱元件，依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱，其具有高效、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，在筆記本電腦等高度集成電子設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在相控陣天線中應(yīng)用的研究較少。本文基于有限單元法，運(yùn)用仿真軟件Comsol Multiphysics對T/R組件在隔板導(dǎo)熱冷卻和隔板內(nèi)熱管導(dǎo)熱冷卻的方式下進(jìn)行仿真分析，以尋找相控陣天線T/R組件更加高效、安全、可靠的冷卻方式。

2 T/R組件的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計

T/R組件主要由雙工器、AD/DA板、盒體等組成。AD/DA板上分布著發(fā)熱器件，盒體中間是AD/DA板的隔板，AD/DA板上的發(fā)熱器件與隔板有良好的熱接觸，見圖1。隔板內(nèi)部布置有熱管，熱管長度延伸至盒體兩端的導(dǎo)熱塊。導(dǎo)熱塊同時作為固定端，與液冷骨架采用螺釘緊固，見圖2。導(dǎo)熱塊與液冷骨架有良好的熱接觸。

AD/DA板上的發(fā)熱器件（DA板上的器件分布情況與AD板上類似，熱耗統(tǒng)計見表1和表2）貼裝在隔板上，見圖3。器件所產(chǎn)生的熱量通過預(yù)埋在的隔板里的熱管，將熱量有導(dǎo)向性地傳導(dǎo)至隔板兩端的導(dǎo)熱塊上。導(dǎo)熱塊將熱量傳導(dǎo)給與其緊固的液冷骨架上，液冷骨架內(nèi)部循環(huán)流動的冷源將熱量帶走，以實(shí)現(xiàn)T/R組件的冷卻。液冷骨架作為相控陣天線陣面的骨架，采用焊接方法與基座相連，相鄰兩個骨架件水流反向。

表1 AD板熱耗統(tǒng)計

表2 DA板熱耗分析

圖1 T/R組件的構(gòu)成

圖2 T/R組件與液冷骨架的連接

圖3 發(fā)熱器件在AD板上的分布

3 T/R組件冷卻仿真及其分析

每個T/R組件有84個主要發(fā)熱器件，其正反面貼裝在鋁制隔板上，總熱耗約62W（詳見表1和表2）。由于各主要發(fā)熱器件發(fā)熱量差別不大，將總熱量均布在各發(fā)熱源上。為了使仿真環(huán)境更加符合相控陣天線的實(shí)際運(yùn)行情況，首先運(yùn)用仿真軟件Comsol Multiphysics將每4個T/R組件組成1個子陣進(jìn)行仿真，然后再增加組件數(shù)量進(jìn)行仿真。設(shè)定環(huán)境溫度為55℃，組件最高工作溫度為70℃。

3.1 單個T/R組件子陣的熱分析仿真

設(shè)定液冷骨架進(jìn)出口17.14L/min（相控陣天線冷卻系統(tǒng)總流量240L/min，共有14根液冷骨架），選用冷卻液為46℃的20%乙二醇，液冷骨架和隔板均為6063鋁合金，網(wǎng)格劃分為308萬個。

由圖4可知，布置熱管的4個組件間溫差最大為0.5℃，其中最高表面溫度為57.84℃。單個組件熱源分布區(qū)域溫差約為4.6℃。熱源經(jīng)過預(yù)埋在隔板上的熱管有導(dǎo)向性的傳導(dǎo)至液冷骨架上。

圖4 布置熱管的4個組件表面溫度云圖

由圖5可知，未布置熱管的組件，大多數(shù)熱源的熱量在隔板上無法良好導(dǎo)出，導(dǎo)致表面最高溫度達(dá)69℃，比布置熱管的最高溫度高了12℃。同時，每個組件的均溫性差，組件表面局部溫差21℃。

圖5 未布置熱管的4個組件表面溫度云圖

3.2 T/R組件子陣在陣列面環(huán)境下的熱分析仿真

在計算資源允許的情況下，通過研究更多組件經(jīng)液冷骨架上冷卻后的溫度，可以得出較為合理的組件熱流路徑、熱管布局及合適的冷卻液流量和溫度。受計算資源和時間的限制，仿真出了16個組件（即4個子陣）的散熱情況。仿真邊界條件與4個T/R組件子陣仿真時相同，網(wǎng)格劃分為900萬個。

由圖6可知，布置熱管的16個組件間溫差最大為1℃，其中，最高表面溫度為58.59℃。單個組件熱源分布區(qū)域溫差約為6℃。

圖6 布置熱管的16個組件表面溫度云圖

由圖7可知，未布置熱管的16個組件最高表面溫度為70.68℃。比布置熱管的組件高出了12℃，每個組件的均溫性差，組件表面溫度差高達(dá)22℃。

圖7 未布置熱管的16個組件表面溫度云圖

4 結(jié)論

通過對液冷骨架上安裝4個到16個T/R組件進(jìn)行熱分析仿真，可以得出以下結(jié)論。

①4個T/R組件的熱量通過熱管傳導(dǎo)至液冷骨架上時，組件最高溫為57.84℃，組件表面局部溫差4.6℃，組件間的溫差約0.5℃。如果不布置熱管，組件表面溫度會達(dá)69.93℃，組件表面局部溫差21℃。因此，布置熱管的隔板具備較大的傳熱能力和較高的等溫性。

②T/R組件通過串聯(lián)形式安裝在液冷骨架上，冷卻液會隨著向前流動，不斷帶走之前組件的熱量，其溫度逐步升高。由于相鄰兩個骨架內(nèi)冷卻液流向相反，因此，串聯(lián)在液冷骨架中間部分的組件溫度會因?yàn)槔鋮s液的溫度升高而提高，這是組件間溫差的主要原因。16個組件溫升約為2℃。根據(jù)推算，60個組件（液冷骨架布滿組件）溫升約5℃，整個陣面最高溫度約61℃，能滿足系統(tǒng)溫度的要求。

③通過對某型相控陣天線T/R組件的仿真分析可以看出：僅依靠隔板將熱量傳遞到液冷骨架上，并不能保證T/R組件的可靠運(yùn)行。熱管技術(shù)在T/R組件中的應(yīng)用，不僅可以滿足冷卻效果，而且簡化設(shè)備，解決了傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)漏液現(xiàn)象，同時提高了相控陣天線系統(tǒng)的可靠性和機(jī)動性。

［1］高玉良，萬建崗，周艷.新一代有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件熱設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009（44）：91-93.

［2］曹良強(qiáng)，吳鋼，王懷.相控陣?yán)走_(dá)T/R組件冷卻仿真研究［J］.制冷技術(shù)，2008（8）：37-40.

Thermal Analysis of The Phased Array Antenna T/R Modules

Mei BinTian ShaoyangShi Jinyan
（The 27th Research Inst.of CETC，Zhengzhou Henan 450047）

Aiming at the problem in the liquid cooling system of phased array antenna,using heat pipe for heat con?duction is presented.The model for the T/R module of phased array antenna is established.Comsol multiphysics is applied to analyze natural cooling and heat pipe cooling for T/R module.The simulation results show that heat pipe cooling not only has a good cooling effect but also solves the problem of the traditional liquid leakage and the difficul?ty of management and maintenance for T/R module.

phased array antenna；heat pipe；cooling simulation

TN821.8

A

1003-5168（2017）08-0071-03

2017-07-01

梅斌（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：電子機(jī)械工程。