某相控陣雷達天線陣面的熱設計與驗證*

賀奎尚，劉紹武，王 洪，陸棟棟，張健軍

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

引 言

為了滿足末端機動伴隨防御武器系統的研制需求，業界提出了搜索跟蹤制導一體化雷達天線方案。該方案的天線陣面是高熱流密度有源子陣和高密度電子設備的集成系統，且長期在惡劣環境下運行。當天線陣面工作時，輸出功率僅為輸入功率的一小部分，大部分的功率以熱能的形式耗散出去。如果不將熱能快速傳遞出去，會造成熱量的堆積，導致元器件的結點溫度急劇升高，當結點溫度超過器件的安全結溫時，元件就會失效[1]。研究表明，功率器件的失效率隨器件溫度呈指數關系增長，溫升50°C時器件的壽命只有溫升25°C時的1/6，超過55%的電子設備失效形式是由溫度過高引起的[2]。在實際工作中，熱量不能及時散出可能會導致器件溫度過高甚至被燒毀，從而影響電路的可靠性和壽命[3]。因此，天線陣面熱設計的合理性將直接影響到系統運行的穩定性和使用壽命。

天線陣面散熱系統的作用是在陣面熱源（單機、組件、電源模塊等）與外界環境之間建立一條低熱阻通道，把熱源產生的熱量傳遞出去，最終排放到大氣中，為電子設備提供穩定可靠的溫度環境[4]。本文以某相控陣雷達天線陣面為對象，根據天線陣面結構組成，開展天線陣面和有源子陣兩個層級的熱設計研究，解決高熱流密度相控陣天線陣面散熱問題。

1 天線陣面結構組成及散熱方案設計

1.1 天線陣面結構組成

天線陣面散熱方式主要有液冷和強迫通風冷卻兩種[5]，考慮經濟性和系統穩定性等因素，本天線陣面采用強迫通風冷卻的散熱方式。如圖1所示，天線陣面散熱結構主要集成在陣面門板上，主要由門板框架、風-風換熱器、內外循環風機及內循環風道組成，4塊相同尺寸的風-風換熱器將陣面分成4個散熱區域。

圖1 門板透明化后的天線陣面示意圖

1.2 天線陣面散熱方案設計

本天線陣面總熱耗為7 400 W，當環境溫度為50°C時，組件殼體最高溫度要求小于85°C，天線陣面組件殼體溫差要求不高于10°C。天線陣面采用高效風-風換熱器方案，它既能滿足天線陣面熱性能要求，又能使天線陣面的內部環境與外界環境完全隔離，防止灰塵、雨水、煙霧等對天線陣面內部電子設備的侵蝕。如圖2所示，內循環風道與外循環風道交錯多層次排布，風道內均布置有齒厚0.2 mm，齒距2 mm的波紋片，整體焊接而成。

圖2 風-風換熱器結構示意圖

1.2.1 外循環風道結構

外循環風道結構如圖3所示。外環境的冷空氣從門兩側的百葉窗進入風-風換熱器，在風-風換熱器內實現冷熱空氣交換，外循環風機抽風，將交換完成的熱空氣排放到大氣環境中。

圖3 外循環風道結構剖面示意圖

1.2.2 內循環風道結構

如圖4所示，內循環風機向上吸風，天線陣面內的熱空氣經風-風換熱器熱交換冷卻后由內循環風道以并聯的送風方式均勻分配給天線陣面有源子陣，對有源子陣進行強迫通風冷卻散熱，有源子陣被帶走的熱空氣再經過內循環風機的驅動進入風-風換熱器。天線陣面內部流場完成一個自閉環，從而避免外部惡劣空氣環境對天線陣面內電子元器件的影響。

圖4 內循環散熱結構剖面示意圖

1.3 風-風換熱器傳熱系數計算

1.3.1 熱交換器理論公式

熱交換器熱計算的基本公式包括冷熱流體的熱平衡方程和熱交換的傳熱方程，即：

式中：Δtmax表示熱流體入口溫度與冷流體出口溫度之差或者熱流體出口溫度與冷流體入口溫度之差中的大者；Δtmin表示其小者。

1.3.2 熱交換器設計計算

（1）熱流體、冷流體風量計算

φ= 7 400 W，當環境溫度為50°C，cp=1 005 J/(kg·°C)，空氣密度ρ=1.09 kg/m3時：

（2）對數平均溫差計算

環境溫度為50°C，外循環冷流體溫升為15°C，外循環出風口溫度為65°C；內循環熱流體出風口溫度設為58°C，內循環熱流體溫升為13°C，內循環熱流體入口溫度為71°C。對數平均溫度差為：

（3）傳熱面積計算

采用板翅式換熱器進行換熱的傳熱系數一般為30～35 W/(m2·°C)，取30 W/(m2·°C)。傳熱面積為：

（4）傳熱面積的校核

受整機系統空間的限制，僅可放置4塊板翅式換熱器。換熱器內焊接平直肋片，翅片高10 mm，厚0.2 mm，翅間距為2 mm，長度為480 mm，由此可以計算模型換熱器的傳熱面積：

A1≥A，產品設計的傳熱面積大于理論計算所需要的面積，滿足設計要求，設計余量為19%。

（5）熱流體、冷流體計算校核

受整機系統空間的限制，內/外風機（各10臺）的風流方向均向上（背離子陣方向），風機選型為EBM 3214JH4。風機在工作點區域的送風量最大可達到220 m3/h，10個風機共可達2 200 m3/h。

2 有源子陣結構組成及散熱方案設計

有源子陣主要由子陣散熱器、干冷板、組件、子陣電源及激勵器電源組成。每個有源子陣熱耗為100 W，其中每個組件熱耗為7 W，每塊干冷板安裝4個組件，子陣電源和激勵器電源熱耗各為4 W。由于有源子陣采用磚式設計，組件熱源位置到系統散熱面的熱傳導距離較遠，所以在有源子陣散熱器基板內安裝高導熱熱管，如圖5所示，將底部熱量快速傳遞至上側散熱翅片上。同時在每塊干冷板上內置橫向熱管，將組件產生的熱量由干冷板傳遞給有源子陣散熱器，再豎直傳遞到系統散熱肋片區域，進行強迫通風冷卻散熱。

圖5 有源子陣結構組成及散熱方式示意圖

3 數值分析和實測對比分析

天線陣面被4塊相同尺寸的風-風換熱器分成4個相同的散熱區域，為縮減計算規模，選取1/4陣面有源子陣進行溫度場仿真，分析天線陣面組件殼體的均溫性。然后根據內循環風道為有源子陣提供的送風量，對有源子陣加載溫度場求解。最后搭建1/4天線陣面實驗平臺，驗證數值分析結果的準確性和天線陣面熱設計方案的合理性。

3.1 仿真模型及邊界條件

對天線陣面模型進行簡化處理：有源子陣替換成等包絡尺寸的實體；陣面框架簡化特征僅保留外形結構；風-風換熱器內部為空腔；內部波紋片結構通風率超過90%，對風壓影響不大，忽略不計。

3.2 數值仿真結果及分析

3.2.1 天線陣面流場仿真結果

外循環風機的工況點約為(180 m3/h,340 Pa)，外循環總風量約為1 800 m3/h。內循環風機工況點約為(200 m3/h,310 Pa)，內循環總風量約為2 000 m3/h，滿足供風量的需求。

內風道供風口位置截面速度云圖如圖6所示，供風口尺寸由外側向內逐步增大，有利于風量均勻分配。由速度云圖可知，64組供風口風量大致相同，風速約為3.4～6.9 m/s。

圖6 供風口位置截面速度云圖

3.2.2 1/4天線陣面仿真結果

圖7為1/4天線陣面有源子陣干冷板的溫度云圖。從圖中可以看出，有源子陣干冷板表面最高溫度為79.2°C，最低溫度為71.0°C，表面溫差約為8.2°C，滿足天線陣面組件殼體均溫性要求。

圖7 1/4陣面有源子陣干冷板溫度云圖

3.2.3 有源子陣仿真結果

當環境溫度為50°C時，內循環出風溫度為58°C，內循環對單個有源子陣的供風量為31 m3/h，組件殼體最高溫度為81.3°C。

如圖8所示，有源子陣散熱翅片基板的最高溫度約為76.0°C，散熱翅片的溫度約為61°C～65°C。散熱翅片間表面流速約為3 m/s，組件殼體附近區域的風溫約為72°C。

圖8 有源子陣散熱翅片的風速和溫度云圖

3.3 測試結果及分析

在搭建測試平臺時，將1/4天線陣面放置于50°C的恒溫箱中，并保證風-風換熱器、內外循環風機、有源子陣、均壓腔及風道連接可靠，不存在漏風等情況。接觸調壓器控制熱電偶的輸出功率，溫度傳感器監測16個干冷板熱源附近溫度和內外循環進出風口處溫度并反饋到計算機上進行數據顯示、存儲和處理。

溫度平衡時，內循環出風溫度為54.3°C，進風溫度為65.0°C，外循環進風溫度為50.8°C，出風溫度為60.2°C，內循環進出風溫升為10.7°C，外循環進出風溫升為9.4°C。有源子陣干冷板測試的最高溫度為84°C，最低溫度為74°C，溫差為10°C。根據數值仿真結果，有源子陣干冷板仿真的最高溫度為79.2°C，溫差為8.2°C。由于仿真分析時進行了模型簡化，因此實測結果比仿真結果偏高，但測試和仿真的誤差約為6%，在合理范圍內。因此，針對天線陣面的風速場和溫度場的數值仿真結果是準確的，天線陣面的整體熱設計方案合理可行，滿足設計要求。

4 結束語

本文以某相控陣雷達天線陣面為例，采用強迫通風冷卻和熱管傳熱冷卻方法，定制系統和有源子陣兩個層級的熱設計方案。首次在相控陣陣面上使用高效風-風換熱器，提高陣面內部與外部環境的熱交換效率，在有源子陣內使用高導熱熱管，可將子陣內的熱量高效傳導至散熱翅片上。該熱設計方案有效地解決了高熱流密度有源相控陣天線陣面散熱問題，可為其他采用強迫通風冷卻解決高熱流密度相控陣天線散熱問題的研究提供參考。