相控陣天線散熱結構的試驗數據分析與研究

王業文 吳文友 劉紹武 崔 智 張 帥

相控陣天線散熱結構的試驗數據分析與研究

王業文 吳文友 劉紹武 崔 智 張 帥

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

描述一種可擴展相控陣天線陣面的散熱結構組成，對其采用的多級串聯液冷散熱方式進行詳細論述，建立該種散熱方式的數學模型。利用熱試驗的測試數據論證并求解數學模型。根據數學模型分析天線陣面的散熱性能，同時分析了該類型散熱方式的各影響因素，得出陣面擴展時溫度場變化值進行量化的方法，可實現陣面擴展時散熱性能的快速評估。

相控陣天線；子陣；液冷散熱；試驗數據分析

1 引言

現代雷達中，有源相控陣雷達具有探測威力大、抗干擾能力強、可靠性高、可維護性強等諸多優點。隨著微波技術的不斷發展，相控陣雷達天線陣面的發熱組件的高密度封裝使發熱組件的熱流密度迅速提高,因此必須對天線陣面進行有效的熱設計和熱控制，以保證天線陣面的可靠性和使用壽命[1]。隨著相控陣雷達的發展，未來的天線陣面尺寸將會變得更大，結構更緊湊，陣面結構布局的復雜度也越來越高。現代雷達越來越重視可擴展性和高度模塊化，改變子陣的不同排序方式，可以擴展成滿足不同需求的大陣[2]。

在天線陣面研制階段，先期通過仿真的方法確定設計方案，然后通過制作試驗樣機，進行熱試驗論證產品天線陣面的散熱性能。由于試驗樣機與最終的陣面結構存在區別，須對處理分析試驗數據，然后建立可靠的數學模型，推算出整個陣面的散熱情況[3]。

本文介紹一種有源相控陣雷達天線陣面的串聯散熱結構和熱試驗數據處理方法，驗證該天線陣面的散熱能力。根據天線陣面結構特點以及其傳熱學特性,建立了數學模型，通過試驗測出的數據對數學模型校正求解，表明建立的模型和求解方法正確有效。因此,本文建立的天線陣面結構傳熱數學模型可為該類散熱結構的設計提供依據,并能為該類天線陣面的設計優化提供手段。

2 天線陣面散熱結構

天線陣面采用子陣結構，如圖1所示。天線子陣和天線單元分別固定在液冷板兩側，通過盲插射頻連接器連接。組件子陣由3塊干冷板組件裝配而成，包含發熱組件、激勵器、電源、功分網絡等。液冷板內的冷卻液沿長度方向單向流動，干冷板不通冷卻液。該設計使陣面結構模塊化，簡化了陣面的整體裝配、維修，并且電氣元件均安裝在組件子陣上使電液分離，提高了系統的可靠性和安全性。

圖1 陣面結構圖

工程實際中一般對若干關鍵位置的溫度，采用類似于傳熱學中的集中參數法[4]分析，即把散熱過程等效成若干關鍵位置的熱量傳遞。散熱結構如圖2所示，其中熱量的傳遞可近似地分為以下幾個過程，每個過程設等效溫差和等效熱阻：

a. 熱量由發熱組件（位置1）傳遞到與干冷板上的接觸面（位置2），等效熱阻為1；

b. 熱量在干冷板內部傳導，由與發熱組件的接觸面（位置2）到與液冷板的接觸面（位置3），等效熱阻為2；

c. 熱量由干冷板（位置3）傳遞到液冷板（位置4），等效熱阻為3；

d. 熱量由液冷板（位置4）傳遞給冷卻液，等效熱阻為4。

圖2 散熱結構模型圖

每個干冷板上的發熱組件熱量傳導具有以下特點：均沿位置1至位置4傳導，其傳導路徑相同；各個干冷板上的發熱組件熱耗相同；各個干冷板結構形式完全相同；干冷板之間距離相等。因此可作以下假設：

根據以上假設可建立位置1到位置4的熱量傳遞路徑如圖3所示，按照圖3建立的溫度方程如下：

式中：——相鄰干冷板同位置溫差；——位置i的溫度系數。

3 試驗陣面

圖4 試驗陣面結構圖

通過試驗的方法驗證式（1）的溫度數學模型。試驗陣面結構由4個子陣組成，共12塊干冷板，如圖4所示。實驗時，整個試驗陣面外表面覆蓋保溫材料，減少外界環境對試驗的影響，用模擬熱源代替實際中的發熱組件，通過控制發熱組件輸入端的電壓調整發熱功率。模擬熱源由熱源組合件（包括加熱片、隔熱壓塊、導熱塊和熱電偶）和穩壓電源組成。加熱片采用熱電阻方式，其熱量通過導熱塊傳遞到冷板，以達到模擬熱源對干冷板加熱的功能，加熱片功率可通過調節電源輸出功率實現。將熱源組合件固定在干冷板上。穩壓電源向加熱片提供穩定的電流，使加熱片能實現完全模擬熱源的要求。

在圖3所述的各位置附近，每個干冷板選取相同位置做為測試點，試驗陣面中對應的測點位置如圖5所示。通過紅外熱成像儀結合熱電偶校正測得各測試點溫度，熱成像儀拍不到的位置粘貼了熱電偶，測點位置涂成黑色，統一發射率，提高熱成像儀的準確率。

圖5 試驗陣面測點位置圖

4 試驗數據分析

試驗時的環境環境參數如表1所示。

表1 試驗環境參數

圖6 子陣1的熱成像儀溫度顯示

圖7 子陣2的熱成像儀溫度顯示

圖8 子陣3的熱成像儀溫度顯示

圖9 子陣4的熱成像儀溫度顯示

冷卻液定性溫度取進液溫度與出液溫度平均值23.6℃，對應冷卻液比熱為4200J/kg?℃，密度為1000kg/m3。熱成像儀采集到的數據如圖6～圖9所示。

分析熱成像儀以及熱電偶采集到的數據，整理成折線圖，如圖10所示。

圖10 各測試點溫度曲線

分析圖10所示數據，干冷板4至干冷板9的各位置溫度基本呈線性變化。這是由于液冷板進出口的位置，流體流阻較大，與液冷板的換熱系數較高，同時試驗件兩端有進液管路和電纜，沒法做到完全保溫，環境熱輻射也造成影響，所以溫度會偏低；而在液冷板中間段流體狀態穩定，與液冷板的換熱情況相同，因此測試溫度呈線性變化。綜上所述可認為在相鄰干冷板的同一位置溫差相同，符合式（1）所示的數學模型。對圖10所示的干冷板4#至干冷板9#各點數據進行最小二乘線性擬合，如圖11所示。

圖11 各位置測試數據的擬合曲線

式（1）的數學模型描述了各干冷板各個關鍵位置的溫度變化趨勢，為進一步研究提供了參考模型。

12個子陣對應有36塊干冷板，則最高溫度第36塊干冷的位置1，計算得：

陣面擴展計算時，忽略了冷板與冷卻液換熱系數的變化（即圖3中4的變化），以及冷卻液定性溫度的變化[5]。4的變化取決于冷卻液工質物性參數及其流速，在同一類型的相控陣天線中，一般采用相同冷卻液工質，流速也會控制在同一個范圍[6]，所以4的變化很小。同時冷卻液進液溫度變化也在一個很小的范圍，所以定性溫度的變化對冷卻液比熱和密度影響比較小，因此通過式（4）推導出來的擴展后陣面的溫度場接近正確值。

5 結束語

通過增加擴大試驗陣面的規模可以提高溫度測量及散熱模型的精度。對相控陣天線陣面發熱組件散熱路徑的分析可以建立起串聯的散熱模型，并根據散熱模型建立線性數學方程。利用試驗測試得到的各關鍵位置溫度驗證數學方程，同時求得數學方程的各參數值。求得的數學方程描述了陣面結構的散熱特性，各個環節的熱阻得到體現。通過上述分析可以得出決定陣面散熱性能的關鍵因素，同時提供了一種陣面擴展后散熱性能評估的方法。

1 劉淑振，胡玲珊，程龍寶，等. 某寬帶雷達數字陣列模塊的熱設計及仿真分析[J]. 航天制造技術 2021(4)：35～39

2 張金彪，王蓬. 型號產品熱測試及散熱改進[J]. 信息通信 2017(7)：275～276

3 Lu TianJian. Thermal management of high power electronics with phase change cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, 43(2000): 2245～2256

4 楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 高等教育出版社，2006

5 顧林衛. 電子系統的熱仿真及熱測試研究[J]. 現代雷達，2011(3)：78～80

6 黃敏. 熱工與流體力學基礎[M]. 機械工業出版社，2003

Research on Data Analysis of Cooling Structure on Phased Array Antennas

Wang Yewen Wu Wenyou Liu Shaowu Cui Zhi Zhang Shuai

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

This paper sketches a thermal structure of an array antenna, and discusses the ways of multistage liquid cooling. A mathematical model of heat dissipation is build, which is solved and improved through the heating experiment data. Based on the mathematical model, the performance of the heat dissipation of the array aperture is analysed, and the influence factors of the heat dissipation are analysed at the same time. The quantification method of temperature field variation during the expansion of the antennas can be used for rapid assenssment of the heat dissipation performance.

phased array antennas；submatrix；liquid cooling；data analysis

V476

A

王業文（1982），高級工程師，機械設計及理論專業；研究方向：天線結構設計。

2021-09-11