某寬帶雷達數字陣列模塊的熱設計及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 程龍寶 劉世劼 羅序榮

某寬帶雷達數字陣列模塊的熱設計及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 程龍寶 劉世劼 羅序榮

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

為了保證某寬帶雷達數字陣列模塊穩定可靠工作，以良好的導熱通道將其內部熱量導出，研究了數字陣列模塊的散熱問題，分析了數字陣列模塊的散熱需求，通過計算提出了散熱方案，設計了數字陣列模塊的散熱系統，并對散熱系統進行了仿真分析，解決了數字陣列模塊的散熱問題。

數字陣列模塊；熱設計；熱仿真

1 引言

隨著電子信息技術的高速發展，電子元件的尺寸越來越小，芯片的集成密度不斷提高，導致雷達天線陣面的熱耗及局部熱流密度都迅速增大。電子器件都有其工作溫度的上限，任何設計精良的電子設備在長期過熱及不均勻熱應力的情況下，都會發生故障或失效。研究表明電子設備的失效有55%是由溫度引起的，“10℃法則”也明確指出半導體器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會降低50%[1]。傳統風冷散熱模式雖然設計簡單，成本較低，但很難完全滿足電子設備的散熱要求，因此，采用液冷的散熱方式是當前散熱的有效途徑[2]。

數字陣列模塊是數字陣雷達的關鍵組成部分，數字陣列模塊具有集成度高、熱耗分布集中以及對工作環境要求苛刻等特點。針對數字陣列模塊的散熱設計是一項關鍵技術。

分析了數字陣列模塊的散熱需求，通過計算確定了散熱方案，完成了數字陣列模塊散熱系統的設計實現，并對散熱系統進行了仿真分析，為數字陣列模塊的總體設計提供了關鍵技術支撐。

2 散熱需求分析

數字陣列模塊包括前端收發模塊、綜合背板模塊和接收處理模塊，其中前端收發模塊采用32個8通道T/R組件集成256收發通道，是數字陣列模塊的主要熱耗來源，占數字陣列模塊總熱耗的96.44%，并且熱源分布集中，對散熱的要求高；綜合背板模塊和接收處理模塊熱耗占數字陣列模塊總熱耗的3.56%，熱源分布相對分散。

根據雷達系統工作模式、占空比分析，數字陣列模塊的熱源如下：

a. 前端收發模塊

前端收發模塊共由32個8通道T/R組件組成，雷達系統在連續波狀態下工作時，單通道熱耗為18W；因此，可以計算出前端收發模塊的總熱耗1=18×256W=4608W。

b. 綜合背板模塊

綜合背板模塊主要完成T/R組件收發控制和供電，其熱耗來源為電源模塊，根據總體設計數據，綜合背板模塊總熱耗2=35W+65W=100W。

c. 接收處理模塊

接收處理模塊主要完成數字陣列的接收處理及時鐘控制，其熱耗主要在數字控制板上，根據總體設計數據，接收處理模塊總熱耗3=70W。

通過以上數據可知，數字陣列模塊的散熱總量統計為=1+2+3=4608W +65W+70W=4778W。

3 散熱方案設計

3.1 散熱方式選擇[3]

通常相控陣雷達天線典型的散熱方式有強迫空氣冷卻、強迫液冷等，冷卻方式的選擇應結合發熱模塊的熱流密度和具體使用環境要求確定。

圖1 熱流密度與冷卻方式選擇

T/R組件設計為8通道，單個通道熱耗為18W，T/R組件散熱面尺寸為65mm×94mm，由此可得出T/R組件的熱流密度約為2.36W/cm2。熱流密度與散熱方式對應關系見圖1，根據散熱環境控制要求，溫升按小于10℃選取。

由圖1可知，T/R組件熱流密度大、熱量集中、散熱量大，應采用強迫水冷的散熱方案。

3.2 設計實現

通過以上分析，選擇了強迫水冷的散熱方案，由于數字陣列模塊的熱量有96.44%分布在前端收發模塊，因此散熱系統設計以數字陣列模塊的前端收發模塊為主，其余熱量根據經驗，通過熱源緊貼結構件傳導散熱即可。

3.2.1 液冷系統設計

根據雷達系統設計方案，數字陣列模塊的通道排布如圖2所示，數字陣列模塊口徑為240mm×216mm。

圖2 數字陣列口徑及通道排布

根據數字陣列模塊口徑及通道分布情況，將圖2中的縱向每8通道設計為一個T/R組件，共形成32個8通道T/R組件的集成，如圖3所示。

圖3 前端收發模塊結構集成

由圖3可以看出，前端收發模塊由32個8通道T/R組件、8個組件冷板和液流分配板組成，其中，每4個T/R組件背靠背安裝在1個組件冷板上，8個組件冷板通過液流分配板并聯組成數字陣列模塊前端收發模塊的液冷系統。

3.2.2 流道設計

常用的冷板流道排布方式分為3種形式：串聯式流道、并聯式流道、串并聯結合式流道。

前端收發模塊由于T/R組件熱流密度大，單純的串聯式流道不足以滿足T/R組件的散熱，故在T/R組件貼合下方布置凸臺形成微流道來增加有效接觸面積，提高換熱效率，增加散熱效果。組件冷板流道布局如圖4所示。

圖4 組件冷板流道示意圖

組件冷板在生產測試和使用過程中，流道腔體內會承受一定壓力。當壓力值超過一定值后，液冷冷板局部會發生塑性變形，出現鼓包現象，但未破裂。鼓包現象的產生，對散熱元件的安裝、液冷冷板的散熱效率造成重要影響，因此，液冷冷板的流道設計需要考慮耐壓變形設計。根據設計要求，冷板應在1.6MPa的壓力而不產生塑性變形，因此對冷板流道進行耐壓強度仿真，仿真結果如下圖5、圖6所示。

圖5 冷板受1.6MPa壓力時的應力

圖6 組件冷板受1.6MPa壓力時的位移

由仿真結構可知，冷板在承受1.6MPa的壓力時應力和位移分別為18.142MPa、0.0021mm，6063鋁合金的屈服強度為255MPa，應力遠小于材料的屈服強度，同時應變0.0021mm，故冷板流道設計滿足強度要求。

4 散熱計算

4.1 流量計算

根據T/R組件的熱耗進行初步理論計算[4]：

將各值代入公式可得：

0=2.38674×10-5m3/s≈1.4L/min

整個前端收發模塊系統共包含8個相同的組件冷板，因此，總流量應為：1.4×8=11.2L/min。

為了達到良好的散熱效果，需要取一定的余量，設置總流量為14L/min。

4.2 流量分配計算

散熱系統總流量為14L/min，共包含8個組件冷板，理論上每個子陣冷板應為14/8=1.75L/min，由于流量分配時存在一定的偏差，一般流量分配在理論值的±10%左右即認為系統的流量分配均勻，即每個子陣冷板的流量范圍為1.575～1.925L/min。

分水器起到連接進水板并把流量平均分配到各個子陣中去的作用。各個子陣的流量分配均勻性關鍵在于流體在分水器內的流速，一般流速≤5m/s[5]。

系統總流量為14L/min，由公式=·計算得出過流斷面積。其中：表示過流斷面積，m2；表示液體流速，m/s。

分水器流道截面多為矩形，此處的過流斷面積并不等同于矩形截面積。

由公式=4/計算等效水力直徑，表示流體通道截面面積；表示過流斷面上流體與固體接觸的周長；再計算過流斷面積[6]：

=π(/2)2

根據以上計算，再結合分水器的結構特點，設計分水器的流道，如圖7所示。

圖7 液流分配器流道布局

5 仿真分析

5.1 建立仿真模型

5.1.1 模型處理

為了降低網格數量，提高計算效率，熱仿真模型對實際模型做了部分簡化處理，并做了理想化假設，簡化內容及理想化假設分為以下兩類：

a. 系統級簡化及理想化假設

去掉所有螺釘、定位銷、O型圈、連接器等元器件；去掉一些實際加工時產生的圓角等特征；

b. 熱源簡化及理想化假設

T/R組件僅保留芯片與組件殼體兩部分，芯片與組件殼體之間單位面積接觸熱阻為2.123K/W，組件殼體與冷板之間貼裝厚0.1mm，三方向等效導熱系數70W/(m·k)的銦片；電源模塊（熱源）簡化為94mm×70mm×2mm的長方體薄塊，假設與冷板接觸良好；忽略T/R組件殼體的實際情況對散熱的影響，以三方向等效導熱系數144W/(m·k)的合金代替。

5.1.2 網格劃分

本文采用FloEFD進行網格劃分和仿真分析，FloEFD支持全自動網格劃分和基于仿真結果的自適應網格劃分，其采用基于有限體積法的離散數值技術求解。

網格設置為基礎網格：方向網格數25，方向網格數25，方向網格數25；網格細化精度：4級。

5.1.3 邊界條件設置

根據雷達設計參數要求設置仿真邊界條件：環境溫度：60℃；入液溫度：35℃；流體介質：65號防凍液；流量：14L/min；基體材料：6063鋁合金。

5.2 仿真結果分析

圖8 整體表面溫度云圖

圖9 組件冷板的表面溫度云圖

圖10 T/R組件殼體的表面溫度云圖

圖11 綜合背板和接收處理模塊熱源溫度云圖

圖12 各組件冷板最高溫度位置分布圖

由圖8～圖12可知，在環境溫度60℃，供液溫度35℃的條件下，數字陣列模塊外殼平均溫度約75℃，T/R組件內部芯片結溫144℃，T/R組件表面溫度78.1℃，組件冷板表面62.22℃，冷卻系統冷卻液出口溫度41.95℃，綜合背板模塊和接收處理模塊熱源最高78.44℃，均滿足設計指標要求。

圖13 組件冷板壓力分布云圖

由圖13可知，在冷卻介質為65號防凍液，供液溫度35℃，供液流量14L/min，環境溫度60℃的情況下，系統最大壓力為154702.93Pa，出口壓力為101325Pa，故系統流阻約為54kPa，因仿真時未包含流體連接器，系統用2套TSF-8流體連接器，每套在14L/min的流量時，流阻約為19kPa，故整個系統流阻約為92kPa，流阻較高，但可滿足液冷系統100kPa的壓損要求。

整個子陣液冷系統包含8個冷板，14L/min的流量均勻進入8個冷板內，平均每個冷板流量為1.75L/min，約為2.917×10-5m3/s。由圖14可知，最低流量為2.855×10-5m3/s，最高流量為2.995×10-5m3/s，均在2.917×10-5m3/s±10%范圍內。

6 結束語

某寬帶雷達數字陣列模塊集成度高、熱耗分布集中。為了保障模塊的正常工作，針對高熱流密度的T/R組件，在冷板內部設計了具有傳熱凸臺的流道，并對冷板進行了力學及熱學仿真。仿真分析結果表明，冷板的設計滿足T/R組件的散熱要求，并留有一定的設計余量，且具有良好的剛強度；冷板流道內嵌入凸臺形成微流道，散熱效果良好，但造成了流道的流阻較大，仍在可接受的壓損范圍內。該設計方案已經在某數字陣超寬帶雷達中應用，解決了數字陣超寬帶雷達數字陣列模塊的散熱問題，保障了天線系統的穩定工作。該研制方案和方法可以在同類產品設計中推廣應用。

1 任恒，劉萬鈞，洪大良，等. 某相控陣雷達T/R組件熱設計研究[J]. 火控雷達技術，2015，44(4)：60～64

2 王強，吳海容，陳曉晨．基于故障物理的航空電子設備高可靠性評價[J].航天器環境工程，2016，33(2)：216～219

3 袁湘輝．雷達發射機的冷卻及熱設計優化分析[J]. 通信電源技術，2017，34(1)：73～74

4 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出社，2004

5 Steinberg，D S. 電子設備冷卻技術[M]. 李明鎖，丁其伯譯. 第2版. 北京：航空工業出版社，2012

6 付祥釗，肖益民. 流體輸配管網[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2010

Thermal Design and Simulation Analysis of Wideband Radar Digital Array Module

Liu Shuzhen Hu Lingshan Cheng Longbao Liu Shijie Luo Xurong

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

In order to ensure the stable and reliable operation of an ultra wideband digital array module, it is necessary to have a good heat conduction channel to export its internal heat. This paper studies the heat dissipation of a digital array module. A heat dissipation system is designed on the basis of analyzing the heat dissipation demand and calculating the liquid cooling heat dissipation. By carrying on simulation analysis to the heat dissipation system, it confirms that this scheme solves the heat dissipation problem of the digital array module.

digital array module；thermal design；thermal simulation

TJ

A

劉淑振（1986），碩士，兵器發射理論與技術專業；研究方向：雷達陣面結構設計。

2021-06-21