有源相控陣雷達天線冷卻技術研究進展

何立臣，洪 元，楊立明，遲百宏

（北京衛星信息工程研究所，北京 100086）

0 引言

隨著信息技術和微電子技術的飛速發展，雷達天線作為現代戰場上的“眼睛”，日益呈現出高性能化、微小型化以及高集成度的發展趨勢。有源相控陣雷達天線因具有探測距離遠、多目標搜索與跟蹤精度高、抗干擾能力強、波束的形成與指向靈活等優點，被廣泛應用在戰機預警和火控、衛星成像、戰場偵察和地面防空等領域，代表了現代雷達天線的發展方向。

有源相控陣天線在不斷發展的同時面臨嚴峻的散熱問題。美國海軍預計未來雷達上T/R 組件的熱流密度有可能超過1000W/cm。而有源相控陣天線包含大量T/R 組件，這些組件中的功率放大器和低噪聲放大器等有源器件對溫度十分敏感，溫度過高將導致器件工作性能急劇惡化甚至燒毀；此外，大量分布的T/R 組件形成的天線陣面溫度不均勻將引起相位不一致，影響天線的空間波束合成性能，使電子掃描出現偏差。因此，對有源相控陣天線進行高效冷卻，以確保T/R 組件上的器件結溫低于允許值以及天線陣面的溫度均勻具有重要的現實意義。

本文從有源相控陣天線架構出發，對國內外相控陣天線冷卻技術研究進展及發展趨勢進行綜述，總結相控陣天線常用的冷卻方法，在此基礎上提出針對不同應用場景相控陣天線的冷卻方法或組合，以期為相控陣天線熱設計人員提供參考。

1 有源相控陣天線架構

相控陣天線的一般架構形式包括磚塊式、刀片式和瓦片式3 種，如圖1所示。

圖1 有源相控陣天線架構Fig.1 Architectures of active electronically scanned antenna

磚塊式和刀片式天線架構的有源電路平面均與天線陣面口徑垂直，有源電路平面橫向組裝。刀片式架構是磚塊式架構的變形：磚塊式是二維擴展陣列結構，而刀片式則為一維擴展結構。磚塊式和刀片式天線架構體積大、集成度低、制造工藝簡單，適用于低頻段、陣元間距大的天線，是當前技術發展成熟、應用最為普遍的天線架構形式。

瓦片式天線架構的有源電路平面與天線陣面口徑平行，采用縱向疊層方法進行系統集成組裝，適用于高頻段、陣元間距小的天線。瓦片式架構是新一代天線架構，結構緊湊、集成度高，能夠實現天線輕薄化，易于與載體共形，是未來相控陣天線的發展方向；但實現難度大，需要重點解決層間垂直互聯、高密度集成以及散熱等關鍵技術。

對于每一種相控陣天線架構形式，其冷卻方法都是靈活多樣的，并沒有統一的標準，設計的準則都是以最簡單可靠的方法滿足冷卻需求。磚塊式和刀片式天線架構在陣面深度方向上可利用的空間大，具有更好的冷卻條件；而瓦片式天線架構冷卻空間受限，因而對冷卻的要求更高。當前，各天線架構的冷卻技術都朝著結構功能一體化方向發展，即將冷卻功能集成到滿足支撐承載的天線結構上。

2 有源相控陣天線冷卻技術研究進展及發展趨勢

在不同裝載平臺上的相控陣天線所處的環境條件差異很大，且具有不同的結構形式、特點和工作熱流，相應地，其冷卻方法也不盡相同。下面分別從地面、車載、艦載、機載、彈載和星載等平臺角度對國內外公開報道的相控陣天線冷卻技術及相關研究進展進行綜述。

2.1 地面相控陣天線冷卻技術

地面相控陣天線一般為固定在地面建筑物上的大型遠程預警雷達天線，陣面口徑大、陣元數量多，發熱功耗高。

國外典型的遠程預警雷達天線主要有美國的“鋪路爪”PAVEPAWSAN/FPS-115、升級預警雷達UEWRAN/FPS-132 以及俄羅斯的Voronezh-DM等。“鋪路爪”PAVEPAWSAN/FPS-115 采用強迫液冷與強迫風冷相結合的冷卻方法：正常情況下采用強迫液冷的主冷卻系統，當主冷卻系統發生故障時采用強迫風冷的輔助冷卻系統。

國內方面，王建峰介紹了某大型地面固定式相控陣雷達的液冷系統，通過借鑒建筑樓宇供暖系統相關技術方法，確定了液冷系統流程。冷卻系統由水泵、末端冷卻機組、儲水柜、膨脹水箱、冷板、管網系統以及檢測和控制系統等組成。實際運行評估表明該冷卻系統的散熱能力達到設計要求。該冷卻系統設計方法已成功應用于多個大型相控陣雷達系統。

2.2 車載相控陣天線冷卻技術

車載相控陣天線的布置通常較為靈活：車載平臺機動性強，則天線陣面口徑小、陣元數量少，發熱功耗低；車載平臺機動性弱，則天線陣面口徑大、陣元數量多，發熱功耗高。大口徑陣面天線運輸時折疊，工作時展開。

國外典型的車載相控陣天線有美國雷神公司開發的末段高空區域防御系統THAADAN/TPY-2和以色列Elta 公司開發的GreenPineEL/M-2080，均采用液體冷卻系統進行散熱。THAAD 相控陣天線（X 頻段）的強迫液冷系統如圖2所示：冷卻工質分配至所有T/R 單元組合體、子陣模塊、AC/DC轉換器及波束控制單元。T/R 單元組合體中的T/R組件以2 列16 單元背對背安裝在內置冷板兩側，冷板中的流動通道呈彎曲狀以確保單元內溫度均勻。

圖2 THAAD 冷卻系統[12]Fig.2 The cooling system of THAAD[12]

國內方面，韓文峰等針對某采用“凹”字型艙體的高機動車載小陣面相控陣雷達天線的散熱需求，設計研制了一種強迫風冷系統，其天線艙體風路如圖3 所示，雷達T/R 組件冷卻采用靜壓送風。對整個散熱系統進行熱仿真分析以及工程化實測，驗證了該設計方法和過程的正確性。

圖3 某高機動車載天線艙體風路示意[14]Fig.3 Air channel of vehicle-borne antenna cabin[14]

2.3 艦載相控陣天線冷卻技術

艦載平臺振動沖擊嚴重、環境條件惡劣，但空間尺寸限制小。根據要實現的功能不同，艦載相控陣天線的陣面口徑、陣元數量、發熱功耗均有所不同；同時，艦載相控陣天線需要解決“三防”（防潮濕、防霉菌、防鹽霧）問題，一般將天線制成密封箱體結構，與外界環境隔離，并控制箱體內的溫度和濕度條件。

國外典型的艦載相控陣天線有美國Zumwaltclass 導彈驅逐艦DDG-1000 裝備的AN/SPY-3 和英國45 型驅逐艦裝備的SAMPSON 等。SAMPSON艦載多功能雷達有源相控陣天線（S 頻段）采用強迫風冷散熱方法，如圖4所示，系統先通過風扇將天線底部吸入的冷空氣吹向天線兩個陣面間的空隙，產生的靜壓力迫使空氣通過模組面罩（噴射板）上的小孔形成空氣射流直接沖擊待冷卻的部件；之后熱空氣被排出到底部的熱交換器，由熱交換器內的冷水將熱量帶走，最終實現對天線陣面的持續有效散熱。

圖4 SAMPSON 多功能雷達天線冷卻系統[15]Fig.4 The cooling system for SAMPSON multi-function radar antenna[15]

國內方面，羅震在某艦載有源相控陣雷達冷卻系統研制過程中，選擇孔板靜壓送風的方式實現均勻送風。戶艷等設計了一種艦載相控陣天線強迫風冷散熱系統，如圖5 所示。

圖5 某艦載相控陣天線的強迫風冷散熱系統[17]Fig.5 The air cooling system for a shipborne AESA[17]

該艦載相控陣天線陣面呈菱形分布169 個T/R組件，分15 層放置在天線結構框架后面，形成15 個陣面流道；在結構框架兩側開設進風口和出風口，再配以風機、導流管和通風管道構成整個風冷系統。分析風冷作用下天線陣面的熱性能，通過數值仿真對天線結構參數進行優選，并進行陣面散熱模擬實驗，證明該強迫風冷散熱系統基本可以滿足相控陣天線的散熱需求。

2.4 機載相控陣天線冷卻技術

機載相控陣天線包括應用于戰斗機平臺的火控雷達天線以及應用于運輸機或客機平臺的預警雷達天線。戰斗機機頭空間受限，機載火控雷達相控陣天線陣面口徑小、熱流密度高；而運輸機或客機平臺空間大，機載預警雷達天線結構形式多樣，包括機頂圓盤、機頂平衡木或機身共形，不同結構形式的天線陣面口徑和熱耗差別很大。

國外典型的機載火控雷達相控陣天線有美國F-22 戰斗機裝備的AN/APG-77，F-35 戰斗機裝備的AN/APG-81，日本F-2 戰斗機裝備的J/APG-2 以及俄羅斯“米格-35”戰斗機裝備的Zhuk-AE；典型的機載預警雷達天線有以色列Phalcon 共形天線。其中，美國的AN/APG-77 和俄羅斯的Zhuk-AE 均采用強迫液冷方法。

國內方面，錢宣等介紹了某X 波段機載刀片式有源相控陣火控雷達天線陣面及其冷卻系統，如圖6(a)所示，天線陣面包括有源線陣、陣面框架和后端功能部件3 部分，其冷卻系統為強迫液冷，由分水靜壓腔和并聯的冷板組成；分水靜壓腔與陣面框架為一體化設計，并聯的冷板兼作有源線陣的支撐結構，T/R 組件貼裝在冷板兩側面。羅曉宇等針對某小體積、高熱流Ka 頻段有源相控陣天線提出一種將液冷流道置于天線底板的冷卻方案，如圖6(b)所示，天線底板采用結構功能一體化設計；仿真分析和天線模塊實際測試均表明該方法合理可行。譚慧針對某機載Ka 頻段瓦片式相控陣天線提出一種蛛網型微通道強化傳熱拓撲結構，如圖6(c)所示；研究結果表明，與平直微通道相比，蛛網型微通道結構不僅可以降低芯片最高溫度，還能改善芯片陣列之間的溫度均勻性。

圖6 機載相控陣天線冷卻系統Fig.6 Cooling systems of airborne AESA

2.5 彈載相控陣天線冷卻技術

導彈在超聲速、高超聲速飛行時會產生氣動加熱，環境條件非常惡劣，而且彈體空間狹小、不具備強制冷卻條件。彈載相控陣天線的陣面口徑小、工作頻段高、熱流密度高，且具有多工況工作的特點，上彈工作時間較短，大部分時間為地面試驗或維護維修。

國外彈載相控陣天線及其熱控設計鮮有公開報道。

國內方面，鄭雪曉針對彈載雷達相控陣天線多工況工作的需求，提出一種基于楔形鎖緊裝置的可快速更換換熱單元的天線前端熱控方法，如圖7(a)所示，分別采用石蠟/石墨復合相變材料和強迫液冷方法對天線前端上彈后短時工作進行瞬態熱控和在地面測試試驗長時間工作進行穩態熱控；仿真和試驗均表明，可更換換熱單元滿足天線前端穩態、瞬態多工況工作的要求。何智航為某彈載相控陣天線設計了一種與天線陣面一體化設計的熱管?相變材料復合熱控裝置，包括熱管、熱管翅片、相變材料和儲熱器4 部分，如圖7(b)所示，熱管一端焊接在天線陣面上，另一端焊接熱管翅片后密封在儲熱器內部，相變材料填充滿儲熱器的剩余空間；對該熱控裝置的熱控過程進行數值模擬及試驗測試顯示，兩者溫度最大偏差不超過15%，說明熱管相變材料復合熱控裝置方案合理可行。

圖7 彈載相控陣天線熱控裝置Fig.7 Thermal control device for missile-borne AESA

2.6 星載相控陣天線冷卻技術

衛星繞地球飛行時周期性經過光照區和陰影區，使得星載相控陣天線處于大溫度范圍冷熱交變環境，除了要在高溫條件下散熱，還要在低溫條件下保溫。此外，衛星平臺對天線重量和體積有嚴格約束，陣面尺寸小的天線可以與衛星平臺進行一體化設計，而陣面尺寸大的天線則需要設計成可展開結構形式，發射時收攏，入軌后展開。

國外典型的星載相控陣天線有加拿大商業SAR衛星Radarsat-2、德國的Terra SAR 衛星等裝載的相控陣天線。Radarsat-2 衛星的相控陣天線采用多層隔熱組件、熱管網絡、加熱器和選擇輻射散熱表面等常規技術成功實現了熱控目標。TerraSAR-X 衛星及其有源相控陣天線，通過采用碳纖維增強塑料波導輻射器（圖8(a)）、溫度補償T/R 組件、專業的校正系統、多層隔熱組件、軟件控制加熱器，在空間環境下展現出良好的熱穩定性。Vrable 等針對強質量約束條件下低軌天基雷達被地球遮擋處于陰影期時的保溫問題，提出了完全被動、輕質高效的相變材料熱控方法，相變材料大的潛熱容量能夠提供高的能量存儲，輕質、高導熱和多孔泡沫碳骨架在熱能存儲和釋放時能夠提供高效傳熱，以維持天線陣面結構及溫度敏感電子元器件在整個軌道周期近等溫運行。日本NECTOSHIBA Space Systems公司聯合早稻田大學等單位，將環路熱管（looped heatpipe,LHP）技術應用于相控陣天線熱控制設計中，研制出由脈動熱管制成的環路熱管板，如圖8(b)所示；并通過與天線板進行結合開展了相應的熱試驗，發現環路熱管板一側的溫升只有幾攝氏度，熱導率比典型的鋁合金至少要高出10～20 倍，確認了環路熱管對于低地球軌道熱環境下的相控陣天線具備優良的熱控性能。Parlak 等描述了一種采用軸向槽道熱管冷卻相控陣天線的工程模型，如圖8(c)所示，該相控陣天線安裝在運行于地球同步軌道的衛星平臺上，固態功率放大器的熱功耗達到578W，采用4 個軸向槽道熱管將熱量從固態功放傳遞到輻射散熱器。

圖8 國外星載相控陣天線熱控組件Fig.8 Thermal control components of foreign spaceborne AESA

國內方面，張傳強等采用被動和主動相結合的熱控方法對“高分三號”衛星平板有源相控陣SAR 天線進行了詳細的熱控設計。熱控方法包括選取合理的散熱面，布置正交熱管網絡實現有效的熱擴散，包覆多層隔熱材料，以及采用智能隨動控溫方法解決不同工作模式切換、空間外熱流變化、輻射耦合帶來的溫差問題。通過熱仿真分析、地面熱平衡試驗和在軌測試對上述熱控措施的有效性進行了驗證，結果表明天線溫度和溫差均滿足要求，設計方法可為大功率有源合成孔徑雷達天線熱設計提供借鑒。

2.7 相控陣天線冷卻新興技術

飛機、導彈和衛星等空天飛行器平臺所要求的體積小、重量輕以及共形等強約束條件迫使相控陣天線的集成度進一步提升，天線的散熱問題面臨更為嚴峻的挑戰。為此，發展出射頻收發前端內嵌微通道或將微通道與天線陣面、T/R 組件進行一體化高密度集成的散熱方法。

德國衛星通信與無線電技術公司（IMSTGmbH）研發了一款Ka 頻段8×8 陣列的相控陣T/R 前端模塊，如圖9 所示，該組件采用17 層低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic,LTCC）制作而成，在LTCC 基板內集成了微流道水冷系統。

圖9 Ka 頻段8×8 陣列相控陣T/R 前端模塊[34]Fig.9 Ka band 8×8 phased array T/R front-end module[34]

國內方面，尹華設計了一款X 頻段相控陣收發前端，采用27 層LTCC 基板制作，體積僅為62.4mm×62.5mm×2.7mm，在LTCC基板內內嵌水冷微流道進行散熱，實測證實該內嵌微流道散熱結構具備優良的散熱能力。李燚針對某結構功能一體化相控陣天線射頻收發組件，設計基于LTCC 的微通道液冷系統，并開展穩態對流傳熱冷卻實驗，實測顯示該冷卻系統可以有效實現天線射頻芯片冷卻。何慶強等針對空天飛行器的平臺要求提出一種相控陣天線射頻電路一體化高密度集成設計方法，采用LTCC 技術將有源相控陣天線的天線陣面、T/R 組件、饋電網絡和熱控裝置進行一體化高密度集成，如圖10 所示，在高密度集成射頻電路內部設計流道，將射頻電路內部熱源產生的熱量經導熱金屬柱傳導至微流道，進而經液體循環導出；熱設計仿真和實物測試證明，該設計方法能夠為相控陣天線有效散熱。

圖10 射頻電路一體化集成設計[37]Fig.10 Integration design of RF circuit[37]

由于微通道集成在射頻前端多層LTCC 基板內，故應用時需要克服以下問題：在層壓和燒結成型時控制微通道變形；防止液體工質在層間泄漏；減小工質與射頻芯片間的熱阻。

2.8 相控陣天線冷卻技術發展趨勢分析

相控陣天線在不同的裝載平臺有不同的特點，相互之間無法直接進行比較。但總的來講，相控陣天線的結構尺寸和質量越來越小，工作頻段、熱耗和熱流密度越來越高，維持其優異性能對相應的冷卻技術持續構成挑戰。相控陣天線冷卻技術的發展趨勢表現為：

1）天線熱設計更多地從自然冷卻、強迫風冷轉向強迫液冷；

2）強迫液冷的實現方式呈現由常規尺度通道向微尺度通道的轉變；

3）熱管、相變材料等相變冷卻技術逐漸得到較多的應用。

3 相控陣天線冷卻方法對比

從以上國內外研究進展情況來看，相控陣天線常用的冷卻方法主要為自然冷卻、強迫風冷、強迫液冷、熱管、相變材料和微通道冷卻，現將各冷卻方法的優缺點以及適用范圍進行總結，見表1。

表1 相控陣天線常用冷卻方法對比Table1 Comparisons of common cooling methods for AESA

上述各種冷卻方法都有各自的優缺點，適用條件也有很大差別。自然冷卻、強迫風冷和強迫液冷是相控陣天線最常采用的冷卻方法，熱管在星載相控陣天線上應用廣泛，相變材料在彈載和星載天線上有較多的應用，而微通道冷卻尚未得到大規模推廣應用。在工程實踐中，應根據各冷卻技術的能力、特點以及可實現性，結合具體應用場景合理選用。

4 相控陣天線冷卻方法選擇

相控陣天線冷卻方法的選擇不是絕對的，同一類天線可以采用不同的冷卻方法，也可以是2 種或2 種以上冷卻方法的復合。針對某一具體的相控陣天線而言，其冷卻方式需要根據裝載平臺條件，以及天線本身的架構、具體結構形式、工作頻段、熱流密度等綜合確定。根據前文介紹的國內外不同裝載平臺相控陣天線所采用的冷卻方法，分析各裝載平臺及天線特點，給出相控陣天線推薦選用的冷卻方法，見表2。

表2 不同裝載平臺相控陣天線冷卻方法推薦Table2 Recommended cooling methods for AESA of different platforms

天線冷卻方法確定之后，需要開展包括理論計算和數值仿真在內的詳細熱設計，后續還要進行相應的熱試驗。

5 結束語

相控陣天線不斷朝小型化、高集成的方向發展，對高熱功耗和高熱流密度冷卻產生迫切需求，微通道冷卻和熱管、相變材料等相變冷卻因能更好地滿足這一冷卻需求而顯現出極大的應用優勢；但也應該看到，在基礎理論或技術可靠性、穩定性等方面，微通道冷卻和相變冷卻還存在一定的問題。微通道冷卻由于受到通道材料、加工工藝、表面特性、工質種類以及微尺度效應等眾多因素影響，不同學者所得到的研究結論并不一致，甚至差異很大；微通道冷卻理論，尤其是微通道兩相沸騰理論總體上發展較為滯后，限制了微通道冷卻技術的大規模推廣應用。熱管在星載天線熱控方面應用十分普遍，但在其他平臺天線上應用的較少。相變材料還存在導熱性差和相變后易泄漏等問題。

綜合相控陣天線冷卻技術現狀和發展趨勢，本文提出如下發展方向或研究建議：

1）加快微通道冷卻基礎理論研究并開展微通道拓撲優化設計，努力推動其在相控陣天線冷卻方面的應用，應用形式包括微通道冷板以及微通道與射頻電路一體化集成；

2）開展相控陣天線結構功能一體化設計，將冷卻與結構深度耦合，提高天線的集成度，以適應不斷收緊的尺寸重量約束；

3）利用增材制造技術，發展柵格、點陣等超輕量化冷卻功能結構，如蜂窩或點陣夾芯熱管結構、相變儲能結構、主動冷卻結構，以滿足相控陣天線冷卻?承載?輕量化多功能集成需求。