某低剖面相控陣天線液冷冷板結構設計

張海崗， 謝歡歡， 李寶洋

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安710068）

0 引言

目前，相控陣雷達系統逐步呈現出功能集成化、結構微小化的趨勢。為實現與平臺共形隱身，往往要求天線結構剖面低、尺寸小。然而高集成度的T/R組件造成天線陣面上具有相當高的熱流密度，這給天線的結構熱設計工作帶來嚴峻的挑戰[1]。液冷技術以其高效緊湊噪聲小等特點被廣泛應用于需要快速高效散熱的場景，傳統冷板拓撲結構有平直型及仿生型等結構，這些拓撲結構在某些應用場景下被證明具有良好的散熱性能[2]，然而由于現代天線小尺寸及緊耦合裝配要求，為了節省空間，往往需要將電氣元件與結構功能部件進行一體化設計，這就要求電氣元件嵌入結構之中，冷板上不可避免地會存在數量眾多的開槽開孔，這使得冷板流道設計變得愈加困難。

本文針對某緊耦合陣列天線T/R組件的散熱問題，利用3D打印工藝便于成型的優點，設計出一種尺寸小、剖面低、集成度高，不同于傳統流道拓撲結構的液冷冷板，對其進行仿真分析并試驗驗證其散熱效果。

1 相控陣天線及冷板結構

某緊耦合有源相控陣天線共1280個天線單元，需安裝80個T/R組件進行發射接收控制，發熱量龐大。為實現與平臺共形隱身處理，要求天線陣面結構的剖面厚度不超過30 mm。為了滿足結構低剖面設計的同時達到良好的散熱效果，本文設計的陣列天線與T/R組件分別安裝在冷板兩側，并采用1280個SSMA-KK型接頭進行盲插連接，天線結構布局型式如圖1所示。冷板采用5A06鋁合金制作，該材料為3D打印工藝的成熟材料，導熱性好，相對其他金屬材料較輕。冷板由左冷板、右冷板和中間小冷板3塊組成，左冷板與右冷板通過機械連接拼接起來，中間小冷板單獨安裝，用螺釘將小冷板與中間T/R組件壓緊，每塊冷板均有一個入水口和出水口。由于1280個SSMAKK型接頭需要采用焊接工藝安裝在冷板上，冷板開孔密集，傳統的微流道設計變得極為困難。因此冷板的設計核心為避開數量眾多的開孔，并保證3D打印出流道后機加階梯孔時，冷板本身流道壁面厚度足夠，防止鉆孔時出現偏差造成泄漏。經過最極限的設計，冷板總厚度僅為4.5 mm，開孔周圍的壁面厚度中間冷板為1.5 mm，兩邊冷板為0.9 mm，入水口處與出水口處均采用均勻排布的叉排肋柱以實現分流均壓，如圖2所示。

圖1 陣列天線結構布局形式

2 熱仿真分析

冷板在工作時，進口由四通連接，一端接冷水管路，另外3個端口分別與水冷板進行連接。出水口同樣由四通和管路匯集在一起,如圖3所示。

圖2 冷板結構示意圖

圖3 冷板工作示意圖

2.1 計算原理

本文采用有限體積法熱仿真軟件FloEFD進行傳熱分析，該方法積分形式的守恒方程為

式中：Ω為FVM方法當中的控制體;Φ為通用變 量; Γ為廣義擴散系數; S為廣義源項；4個積分項依次是瞬態項、對流項、擴散項和源項[1]。

2.2 邊界條件

冷板入口工質（65#防凍液）流量為4 L/min，冷板工作溫度為50 ℃，壓力為0.5 MPa；中間板換熱功率為43.52 W，兩邊冷板板換熱功率各為21.76 W。

2.3 數值計算結果

圖4展示了速度跡線分布圖，可以看出冷卻液順利地進入了各個冷板。圖5展示了壓損流線分布圖，總壓損為20 kPa左右，約為進口壓力的4%。

圖4 速度跡線分布圖

圖5 壓損流線分布圖

圖6展示了發熱面的溫度分布，從圖中可以看出中間小冷板表面溫度最大為51.06 ℃，左右兩邊大冷板表面溫度最大為50.35 ℃，完全滿足T＜85 ℃的換熱需求，并且最大溫差為1 ℃。

圖6 溫度場分布圖

3 強度仿真分析

為防止因為流道壁厚不足無法承受水壓導致的冷卻液泄漏，本文運用ANSYS Workbech中Static Structure模塊對冷板進行強度校核分析。

3.1 邊界條件

對3塊冷板均施加1 MPa的均勻內壓，并在結構的水平方向和底面（與組件緊貼的面）添加無摩擦支撐的約束，其他無約束表面給定0.1 MPa大氣壓。鋁合金在冷板工作狀態下的屈服強度為170 MPa。

圖7 小冷板應力云圖

圖8 大冷板應力云圖

3.2 數值計算結果

從圖7和圖8中計算結果可以看出，小冷板最大應力為20 MPa，左右大冷板最大應力為7 MPa，均遠低于屈服強度。

4 試驗驗證4

.1 試驗原理

對該低剖面天線進行組裝測試，測試原理如圖9所示，測試裝置包括液冷源、流量計、三通接頭、冷板、熱電偶、調節閥門等[3]。試驗裝置如圖10～圖13所示。

4.2 試驗結果與分析

在試驗中對冷板的流量進行控制為4 L/min，工作穩定后運用熱電偶測量冷板表面溫度如表1所示。

從表1可以看出，左右大冷板表面溫度最大為51.28 ℃，與數值模擬誤差不超過1.9%，小冷板最大溫度為52.7 ℃，誤差稍大為3.2%。

圖9 試驗裝置原理示意圖

圖10 冷板上組件

圖11 天線陣面正面

5 結語

本文利用3D打印成型工藝設計了一種緊耦合低剖面相控陣天線液冷冷板，并進行了數值模擬和試驗驗證，得出以下結論：1）該冷板設計在在避開眾多插孔的前提下，厚度僅為4.5 mm，整個天線陣面厚度僅為30 mm，滿足共形隱身要求的低剖面設計要求；2）從數值仿真和試驗結果可以看出，該冷板插排肋柱的結構設計具有良好的導流和均壓作用，整個冷板換熱性能良好。

圖12 天線陣面背面

圖13 液冷源

表1 冷板表面溫度 ℃

該冷板結構設計對于多開孔結構的低剖面的相控陣天線液冷冷板設計具有一定的參考價值。