某有源相控陣雷達陣面散熱設(shè)計研究

李寶洋

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710068）

眾所周知，TR組件是有源相控陣雷達的關(guān)鍵部件，它是連接前端天線模塊與后端射頻處理模塊的媒介，其功能是對射頻信號的放大、移相、衰減等。在實現(xiàn)該功能的過程中，受制于芯片材料與工藝限制，其效率只有20%左右，甚至更低，其余80%的能量以熱量的形式表現(xiàn)出來。傳統(tǒng)磚塊式TR組件由于體積較大，其與散熱媒介之間的接觸面積較大，組件之間空間較大，大部分能夠滿足散熱需求。但是，本文研究的相控陣雷達使用的是體積小、集成度高的瓦片式TR組件，其俯仰與水平兩個方向上的單元間距均小于15mm，故對散熱提出嚴苛的要求。本文主要研究一種瓦片式TR組件陣面的散熱方法，解決散熱與大功率、小體積之間的矛盾。

1 有源相控陣雷達陣面散熱概述

目前，有源相控陣雷達設(shè)備從散熱角度可以分為前端發(fā)熱設(shè)備、中間傳導(dǎo)媒介設(shè)備和末端冷卻裝置三大部分。前端發(fā)熱設(shè)備主要有TR組件模塊、變頻模塊、電源模塊等；中間傳導(dǎo)媒介設(shè)備主要有熱管、均熱板、液冷冷板、風(fēng)冷管路等；末端制冷設(shè)備主要有換熱器、齒片、風(fēng)機或泵等。其工作原理如圖1所示。前端發(fā)熱設(shè)備發(fā)熱量為ΔQ，通過傳導(dǎo)媒介設(shè)備將熱量導(dǎo)出至換熱器，其間接觸熱阻為Q熱阻，通過風(fēng)機或者泵完成熱量的交換，最終將熱量釋放到環(huán)境中，達到散熱的目的。

圖1 散熱原理

2 某有源相控陣雷達陣面散熱設(shè)計

2.1 相關(guān)背景與散熱條件

某型雷達陣面由子陣拼接而成，子陣可以在俯仰和方位兩維空間內(nèi)擴展，以滿足不同頻段雷達指標要求。子陣由天線單元、TR組件單元、變頻模塊單元組成，其簡易模型如圖2所示。其采用了瓦片式TR組件的設(shè)計方案，導(dǎo)致子陣與子陣之間間隙很小，散熱裝置只能貼附在子陣背面。

子陣發(fā)熱功率約為60W，其中50W主要集中在TR組件上。一個陣面由72個子陣拼接而成，發(fā)熱量共4320W。供電電源熱量約為512W，其均勻分布在子陣周圍?？偀崃亢嫌嫿咏?000W。整個雷達陣面要求投影面積不超過1.4m2，這給散熱設(shè)備預(yù)留的空間較小。TR組件允許最高殼溫不超過85℃，并且組件殼溫溫度一致性控制在7℃以內(nèi)。環(huán)境溫度48℃，太陽輻射1110W/m2。

圖2 子陣簡易模型

2.2 散熱結(jié)構(gòu)原理設(shè)計

為了解決上述問題，設(shè)計一種均熱板配合風(fēng)冷設(shè)備的散熱裝置，其示意圖如圖3所示。將均熱板貼附于子陣TR組件背面，利用均熱板平面方向上的高導(dǎo)熱能力將子陣組件殼溫溫差降低。強迫風(fēng)冷風(fēng)道貼附于均熱板背面，通過風(fēng)道內(nèi)的齒片和風(fēng)道兩端的風(fēng)機將導(dǎo)入均熱板內(nèi)的熱量帶出整機設(shè)備。

圖3 散熱結(jié)構(gòu)原理

2.3 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于子陣形狀和主要發(fā)熱器件分布的特殊性原因，均熱板不能是一整張或幾大塊整板的組合，而是長條狀的多根平板，其寬度約為80mm，長度約為500mm，厚度約為10mm。

強迫風(fēng)冷通道貼附于均熱板背面，由于空間限制，通道高度小于65mm，長度、寬度與均熱板相同。為了增加冷空氣與通道的接觸面積，通道內(nèi)設(shè)計排列散熱齒，齒片壁厚1mm，間距2mm。10個子陣以2×5的方式排列、其背面安裝均熱板和強迫風(fēng)冷通道的示意模型如圖4所示。

圖4 子陣與均熱板的散熱模型

3 某有源相控陣雷達陣面散熱數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

為了方便研究，以10個子陣的模型作為研究對象。10個子陣以2×5的方式排列。其散熱有限元模型如圖5所示。子陣中天線是鋁制實體，有限元分析時不需簡化。TR組件和變頻數(shù)字模塊均為鋁制盒體，內(nèi)部有發(fā)熱芯片，有限元分析時需要將印制板等不發(fā)熱器件省略掉，只保留主要發(fā)熱芯片的位置和大小參數(shù)。均熱板為鋁制平板焊接而成，其內(nèi)部為空腔毛細結(jié)構(gòu)，充入液體導(dǎo)熱工質(zhì)，有限元分析時結(jié)構(gòu)物性參數(shù)以鋁為基礎(chǔ)，修改平面方向上的導(dǎo)熱參數(shù)為實際均熱板導(dǎo)熱參數(shù)即可（該參數(shù)遠大于鋁本身的導(dǎo)熱參數(shù)）。強迫風(fēng)冷風(fēng)道由精密鑄造或焊接配合機加加工而成，有限元分析時不需要簡化。

圖5 散熱有限元模型

3.2 均熱板導(dǎo)熱能力與組件均溫性之間的關(guān)系研究

首先研究均熱板對子陣中組件殼溫溫度一致性的影響。仿真參數(shù)設(shè)定如下：強迫風(fēng)冷入口空氣溫度48℃保持不變；環(huán)境溫度48℃保持不變；空氣流速2m/s；風(fēng)道截面積小于65mm×80mm，可利用空間小，只能選擇較小的風(fēng)機，故壓力不能太大，以往經(jīng)驗估計風(fēng)壓在100～200Pa；均熱板平面方向?qū)嵯禂?shù)在1500～3000W/（m·℃）。

在理論范圍內(nèi)改變均熱板平面兩個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，得到均熱板與溫度之間的關(guān)系如表1所示。

表1 均熱板導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系

圖6 子陣2×5排列風(fēng)冷溫度云圖

由表1和圖6可以看出，隨著均熱板導(dǎo)熱系數(shù)的增加，整體模型的最高溫度略有下降，組件的溫差由11.88℃將低到8.85℃，冷卻風(fēng)溫升略有降低。這說明在風(fēng)量一定時均熱板自身的導(dǎo)熱能力增加不能大幅度降低組件溫度，但是可以有效改善組件溫度的一致性。

3.3 太陽輻射對組件溫度影響研究

國家軍用標準要求，雷達整機在太陽輻射強度為1110W/m2時能正常工作。將太陽輻射通過下述方法轉(zhuǎn)化成熱量，加載在子陣模型上。

一個子陣的投影面積S=a×b=120×100=12000mm2=0.012m2，按照兩面計算就是2S=0.024m2，每個子陣受到的輻射熱量Q=2S×1110W/m2=26.64W。

將該部分熱量直接加載在子陣模型上，得到溫度云圖、太陽輻射與溫度關(guān)系，分別如圖7、表2所示。

圖7 增加太陽輻射后的子陣溫度云圖

表2 增加太陽輻射后子陣溫度關(guān)系

由表2和圖7可以看出，加入太陽輻射后組件的最高溫度、組件溫差、冷卻風(fēng)溫升都有大幅度增加。雖然組件最高溫度仍在85℃以下，但是組件溫差過大，需要使用導(dǎo)熱能力更好的均熱板，同時小幅度加大進風(fēng)量，才能消除太陽輻射帶來的影響。

3.4 整機陣面散熱研究分析

將上述研究結(jié)論引入整機陣面中，對整機陣面進行研究分析，輸入條件為：冷卻風(fēng)溫度48℃（國軍標要求）；入口風(fēng)速2m/s；每個子陣功率60W；每個子陣受太陽輻射熱量26.64W；環(huán)境溫度48℃。

圖8 陣面溫度云圖

經(jīng)過研究分析得到的陣面溫度云圖如圖8所示。其中陣面最高溫度約80℃，子陣組件溫差約9℃。陣面組件溫度一致性還需要繼續(xù)優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文首先對相控陣雷達散熱進行概述，然后以某型雷達陣面為例，對10個子陣2×5的排列方式進行散熱研究分析，設(shè)計一種利用均熱板和強迫風(fēng)冷相結(jié)合的散熱方案，最終將該方案應(yīng)用在整機陣面中。研究表明，在風(fēng)量一定時，均熱板自身的導(dǎo)熱能力增加不能大幅度降低組件溫度，但是可以有效改善組件溫度的一致性；太陽輻射能夠大幅度影響組件溫升，是設(shè)計時必須考慮的重要因素，但是在整機陣面溫度的一致性問題上還有可以繼續(xù)優(yōu)化的空間。

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