某相控陣陣面熱設計及流量分配研究*

司俊珊，劉 兵，馮志新

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都610036）

引 言

隨著現代電子技術的發展，在雷達與電子戰綜合一體化系統中，有源相控陣體制已經成為唯一的選擇。有源相控陣天線陣面主要由T/R組件及陣列天線構成。為滿足高功率放大要求，作為核心器件的T/R組件，因芯片的集成化程度越來越高，不僅熱耗急劇增長，熱流密度也越來越大，成為陣面最主要的熱源。美國海軍預測未來T/R組件的熱流密度有可能突破1 000 W/cm2[1]。長期過熱是導致電子元器件失效的主要因素。美空軍整體計劃分析報告里指出：電子設備的失效55%是由溫度引起的；“10?C法則”也明確指出：半導體器件的溫度每升高10?C，其可靠性就會降低50%[2]。高熱耗、高熱流密度使得有源相控陣陣面散熱設計成為相控陣設計中的關鍵技術之一。

相位一致性是T/R組件最重要的指標之一，T/R組件之間通道相位不一致將直接導致有源相控陣天線發射波束或接收波束指向偏移，而T/R組件通道相位一致性在很大程度上取決于其中功率放大器的相位一致性。功率放大器工作穩定，則其相位穩定，相互之間的相位一致性高。功率放大器為功率器件，效率低導致熱耗高、熱流密度大，過高的工作溫度導致工作不穩定，不僅嚴重影響相位穩定，也造成相互之間相位差異極大，所以嚴格控制功率放大器的工作溫度及其均溫性是有源相控陣陣面熱設計的關鍵。目前，液冷系統是解決有源相控陣散熱問題行之有效的主要手段之一，其流量合理分配是控制T/R組件之間溫度差異的關鍵保證。

1 熱設計方案

某相控陣陣面共計126個T/R組件，單個T/R組件含4個熱耗為32 W的功率芯片，芯片熱流密度為110 W/cm2，全陣總熱耗為16.128 kW。陣面熱設計要求為：1）T/R組件底板溫度≤75?C；2）陣面T/R組件底板之間溫度差≤10?C。

根據布陣特點，綜合考慮熱設計要求及液冷系統流量分配合理性，散熱方案如圖1所示：陣面左右端設置分液腔、集液腔，與基座集成化設計為一體，總進、出液口采用相同型號通徑Φ8 mm的卡扣式快換接頭。每行T/R組件共用一個冷板，各行冷板除長度存在差異外，在結構形式（含流道）、外形尺寸（寬度和厚度）與材料選用等其他方面均完全一致。所有冷板進、出液口使用相同型號通徑Φ3 mm的盲插連接器與分、集液腔并聯連接。

圖1 陣面布陣及熱設計方案

圖1所示的相控陣共有28個長短各異、熱耗不同的并聯冷板。為了能夠有效控制T/R組件之間的溫度差異，采取等流阻流量均分的分流設計，這樣可以極大減少流量種類，降低分流設計復雜程度，提高了工程可實現性。

該相控陣無外部熱源，外界大氣環境對液冷系統的影響較小，可以忽略不計，認為并聯冷板冷卻液入口端溫度一致；在流量相等的條件下，出口端溫度取決于冷板承載的熱耗，熱耗越高，出口端冷卻液溫度越高，出口端T/R組件底板溫度越高。據此分析，陣面T/R組件底板最高溫度及最高溫度不均一性發生于最長冷板。換言之，只要保證最長冷板上T/R組件底板最高溫度和最大溫差分別不大于75?C和10?C，即可保證陣面熱設計要求。按此思路，先計算陣面散熱所需總流量，按冷板數量平均分配；將分配結果作為輸入條件，運用仿真軟件對最長冷板開展熱仿真分析，校核T/R組件底板最高溫度與最大溫差是否滿足熱設計要求。

2 流量計算

根據能量守恒及穩定態流動熱能方程，液冷系統中冷卻劑吸收的熱量與冷卻劑的流量、比熱容及進出口溫差的關系為：

式中：Φ為冷卻劑吸收的熱量，W；qm為冷卻劑的質量流量，kg/s；Cp為冷卻劑的定壓比熱容，J/（kg·K）；t2為冷卻劑出口溫度，?C；t1為冷卻劑入口溫度，?C。

通常認為冷卻劑溫度越低越有利于散熱。根據流體力學，液體溫度降低，動力粘度升高，液體流速降低；動力粘度ν與雷諾數Re，液體流速V及管道直徑D的關系[3]為：

根據臨界雷諾數（Re=2 000）判定流態（層流或紊流），大于臨界雷諾數為紊流，否則是層流。根據傳熱學理論，對流換熱在靠近固體壁面的紊流核心區主要依靠渦漩流這種更強烈的對流效應傳遞熱量，紊流邊界層段的平均表面傳熱系數高于層流邊界層段，紊流流態更有利于散熱[4]。所以，冷卻劑溫度并非越低越好，選取適當的溫度，冷卻劑動力粘度低、流速高、雷諾數大，紊流度足夠，對流換熱效果好。

目前，相控陣液冷系統冷卻介質普遍選用AF65#航空防凍液，其優點是冰點低、比熱容及導熱系數較高，缺點是動力粘度隨溫度降低而大幅升高。權衡考慮為相控陣提供冷卻劑的二次冷卻裝置的重量、體積及成本，本熱設計方案設定冷卻液入口溫度不大于20?C，此時AF65#航空防凍液的熱性能參數如表1所示。

表1 AF65#航空防凍液熱性能參數（20?C）

取冷卻劑進出口溫差為5?C，根據式（1）計算得出冷卻劑總體積流量Q=59.2 L/min。則采用流量均分設計方案時，全陣28個冷板每個冷板的分配流量約為2.11 L/min。

3 仿真分析

對最長冷板開展熱仿真分析，獲得T/R組件底板最高溫度與最大溫度差，校核分配流量是否滿足散熱需求與熱設計要求。

3.1 邊界條件

冷卻介質為AF65#航空防凍液；供液溫度為20?C；供液流量為2.11 L/min。

3.2 仿真模型

采用ANSYS CFX開展仿真分析，根據軟件的建模特點和要求，在確保仿真結果不失真的前提下，對模型進行如下簡化：1）忽略輻射及空氣對流散熱；2）忽略與散熱無關的結構，如螺釘及螺釘孔。

冷板總熱耗為1 536 W，每個T/R組件內含4個熱耗為32 W，熱流密度為110 W/cm2的功放芯片，芯片用導熱銀膠（厚度為0.05 mm）與鉬銅載板粘貼。鉬銅載板尺寸為14 mm（長）×5.6 mm（寬）×0.8 mm（厚），導熱系數為185 W/（m·K），焊接在厚度為1.6 mm，導熱系數為170 W/（m·K）的鋁合金盒體上。

冷板材料5A06鋁合金的密度為2 700 kg/m3，導熱系數為167 W/（m·?C）。冷板內流道采用串并聯形式內置微小槽道，槽道尺寸為5 mm（高）×0.5 mm（寬）×0.5 mm（肋厚）。T/R組件盒體與冷板之間均勻涂抹導熱脂，接觸熱阻取2.32×10?4m2·K/W[5]。

計算模型選擇標準k-ε湍流模型，入口為速度進口，收斂標準是判斷各物理量的相對殘差小于10?6，計算步長為300。

3.3 仿真結果

經仿真計算，最長冷板T/R組件底板熱源位置溫度分布如圖2所示，熱源位置最高和最低溫度分別為67.71?C和62.21?C，溫差為5.5?C，滿足最高溫度不超過75?C，最大溫差不超過10?C的熱設計要求。

圖2 T/R組件底板溫度分布云圖

4 流量分配

流量與流阻密切相關，進行流量分配必須對系統的流阻進行校核，圖1所示陣面流量的分配采取各冷板等流阻匹配設計方法。

根據流體力學，流量、壓力損失及流阻的關系[6]為：

式中：?P為系統總壓力損失，N/cm2；Z總為總流阻，N·s2/m3；Q為流量，m3/h。

總流阻Z總由沿程流阻和局部流阻兩部分組成。沿程流阻由流體運動狀態的改變（層流變紊流）、流道的粗糙度及流道截面的形狀造成，沿程流阻造成沿程壓力損失；局部流阻由流體運動方向、流速大小及流動截面的改變造成，局部流阻造成局部壓力損失。系統總壓力損失?P為沿程壓力損失與局部壓力損失之和。

相控陣液冷系統并聯各行冷板的總壓力損失組成如圖3所示。

圖3 并聯各行冷板總壓力損失組成

根據流體力學，并聯管路各支路總壓力損失相等，即：

液冷系統并聯冷板各支路總壓力損失由以下幾部分組成：分液腔入口到各行冷板入口的壓力損失P1n(n=1,2,···,28)；各行冷板出口到集液腔出口的壓力損失P2n(n=1,2,···,28)；各行冷板內部壓力損失P3n(n=1,2,···,28)；各行冷板與分/集液腔連接處壓力損失P4n(n=1,2,···,28)；P1和P2位于液冷系統總進出口端，只影響液冷系統總壓力損失，對流量分配無影響。各行冷板與分/集液腔之間的液冷接頭選擇同一型號，在等流量條件下壓力損失相等，P4n對流量分配無影響。分/集液腔尺寸相同且體積較小，經仿真計算，P1n之間及P2n之間誤差均小于1%且較P3n小了近2個數量級，對流量分配影響較小，忽略不計，分/集液腔可近似看作等壓腔。

綜上所述，各行冷板的流量分配主要由P3n決定。由圖1可以看出，各行冷板長短不同，在相同流量條件下，各行冷板流阻不等。通過仿真計算得到各行冷板壓力損失P3n，按照等流阻設計原則，以最長冷板流阻（圖4）為基準，其余各行冷板入口設置流通截面可調節流環以增加流阻，分別對各冷板在額定流量下進行流阻測試，微調節流環流通截面直至流阻與最長冷板相同，保證各行冷板支路流阻一致，實現陣面流量均分設計。

圖4 最長冷板流阻仿真

5 試驗驗證及結果分析

采用薄膜電阻模擬熱源，溫度傳感器采用T系列銅–康銅熱電偶，溫度采集使用160通道美國吉時利公司的2701數據采集器，根據薄膜電阻值及熱耗計算輸入28 V直流電流，對全陣進行溫度測試，如圖4所示。

圖5 全陣溫度測試

最長、最短冷板溫度測試結果如表2所示。從試驗結果可以看出，T/R組件底板最高溫度為68.3?C（小于75?C），最低溫度為62.5?C，溫度差為5.8?C（小于10?C），均滿足陣面熱設計要求。

表2 最長、最短冷板溫度測試結果

工程上流量測試一般分為在各支路串入流量計的直接測試法和采用超聲波的非接觸測試法。對于圖1所示的相控陣，因其結構集成度極高，兩種測試方法均難以實施，因此以溫度測試結果間接驗證流量分配。從表2溫度測試結果可以看出，流量分配滿足散熱需求，流量分配設計合理可行。

由溫度測試結果分析可知，造成測試數據與仿真結果之間偏差的主要因素如下：

1）測試樣件T/R組件與冷板之間導熱脂涂抹不均勻，導致接觸熱阻不一致，增加了溫度差異；工程應用中同樣需要面對此問題，可通過完善工藝手段盡可能減小導熱脂涂抹的不均勻度。

2）測試用薄膜電阻之間阻值差異導致產生的熱量不一致；實際工程中，功率芯片裝入T/R組件之前均要通過篩選，可在較大程度上避免該問題。

3）節流環調節存在一定誤差，可通過優化設計減小調節誤差。

4）為便于節流環調節，冷板樣件與分/集液腔采用的是等長軟管連接；實際工程應用的冷板通過盲插接頭直接與分/集液腔連接，可避免該誤差。

6 結束語

文中介紹的相控陣規模雖然不大，但其熱設計及流量分配設計思路對更大型相控陣或分布式液冷系統均具有較高的借鑒價值。采取合理的分層和分塊，將大型相控陣或復雜液冷系統轉化為若干小型并聯網絡，按照流阻匹配進行流量分配，使大型、緊湊度高的相控陣及復雜液冷系統的流量分配難度極大降低，提高工程可實現性。