某高頻段瓦式相控陣天線的熱設計與試驗分析

摘 "要： 隨著通信技術的快速發展，瓦式相控陣天線以其小型化、高性能、高集成的特點，已逐漸成為有源相控陣天線發展的新趨勢。但隨著頻段及集成度的不斷提高，多功能集成芯片的熱流密度也越來越大，隨之帶來的散熱問題也更為突出。針對某高頻段瓦式相控陣天線的熱設計要求，提出一種強迫風冷條件下“散熱風道+扁平熱管”的低成本散熱方案，通過數值仿真驗證陣面發熱器件可控溫度及多功能集成芯片溫度一致性，搭建熱測試平臺進行熱測試，對測試點實測溫度與仿真溫度進行對比分析。數值仿真和試驗結果表明：所設計的熱控結構能夠滿足發熱器件的殼溫要求以及多功能集成芯片的溫度一致性要求，進一步驗證了該散熱方案的合理性，可為后續同類瓦式相控陣天線的熱設計提供一定的參考。

關鍵詞： 瓦式相控陣天線； 多功能集成芯片； 強迫風冷； 扁平熱管； 數值仿真； 熱測試； 熱控結構

中圖分類號： TN82?34 " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）15?0034?06

Thermal design and experimental analysis of a high frequency tiled phased array antenna

HE Chang， GAO Feng， WANG Zihan， YANG Chunyan， SHAN Nina， GUO Meng， DUAN Zhen， CUI Zhe， LIU Peng， LIU Haiyong

（Xi’an Aerospace Remote Sensing Data Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710100， China）

Abstract： With the rapid development of communication technologies， tiled phased array antenna has gradually become a new trend in the development of active phased array antenna because of its characteristics of miniaturization， high performance and high integration. However， with the continuous improvement of frequency band and integration， the heat flux of multifunctional integrated chip is increasing， and the resulting heat dissipation problem is more prominent. According to the thermal design requirements of a high frequency tiled phased array antenna， a low?cost cooling scheme of ″heat dissipation duct + flat heat pipe″ under forced air?cooling is proposed. The controllable temperature of the array heating device and the temperature consistency of the multifunctional integrated chip are verified by numerical simulation. A thermal testing platform is built to carry out the thermal testing， and the measured temperature at the testing point is contrasted with the simulated temperature. The numerical simulation and experimental results show that the designed thermal control structure can meet the requirements of the shell temperature of the heating device and the temperature consistency requirements of the multifunctional integrated chip， which further verifies the rationality of the heat dissipation scheme. To sum up， the proposed scheme can provide a certain reference for the subsequent thermal design of the similar tiled phased array antennas.

Keywords： tiled phased array antenna; multifunctional integrated chip; forced air?cooling; flat heat pipe; numerical simulation; thermal testing; thermal control structure

0 "引 "言

有源相控陣天線相較于傳統的機械掃描天線，無需機械結構的轉動，僅調整陣列輻射單元的相位分布便可實現波束掃描[1]，克服了傳統天線數據傳輸容量低、機械掃描裝置質量大、可靠性低等缺點[2?3]，被廣泛應用于軍、民事領域。

在陣面架構上，相比縱向集成的磚式架構，瓦式架構采用橫向集成方式，具有高集成、低剖面、易與平臺共形等優勢[4?6]。對于瓦式相控陣天線而言，其T/R組件采用多功能集成芯片的技術來提高空間利用率[7]。但隨著頻段及集成度的不斷提高，多功能集成芯片的熱流密度也越來越大，隨之帶來的散熱問題也更為突出。當天線陣面工作時，元器件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，元器件就會失效[8]。已有研究表明，半導體芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的可靠性就會降低一半，器件的工作溫度越高，器件的生命周期越短，因此降低器件溫度是延長其生命周期的有效方法[9?10]。瓦式相控陣天線的主要熱量來源于多功能集成芯片，芯片的溫度過高或溫度一致性太差都會對電性能產生顯著的影響。因此，對瓦式相控陣天線散熱的合理性設計顯得尤為重要。

目前，對于高頻段瓦式相控陣天線的熱設計研究較少。本文以高頻段瓦式相控陣天線陣面為研究對象，根據陣面布局以及熱設計條件輸入，提出了一種“散熱風道+扁平熱管”的低成本散熱方案，通過仿真計算驗證陣面發熱器件可控溫度及多功能芯片溫度一致性，搭建熱測試平臺進行整機熱測試，通過試驗驗證熱設計的合理性，為高頻段瓦式相控陣天線的熱設計研究提供了一定的思路。

1 "整機組成及布局

該相控陣天線主要由天線罩、發射陣面子陣、接收陣面子陣、導航天線、隔離墻、熱控結構、模塊1、模塊2、模塊3、底板等組成，如圖1所示。

圖1中，熱控結構不僅為整機提供散熱功能，還是整機所有模塊的承載平臺。在熱控結構上側，各子陣、隔離墻、導航天線和天線罩通過螺釘固定在熱控結構上。各子陣與熱控結構之間安裝導熱襯墊，用于減小發熱器件與熱控結構之間的接觸熱阻。天線罩與熱控結構之間安裝密封條，保證熱控結構上部各模塊與外部環境完全隔離，避免外部沙塵和雨水進入整機內部。在熱控結構下部腔體內安裝模塊1、模塊2和模塊3，在熱控結構下側安裝底板，底板與熱控結構之間安裝密封條。

整機天線陣面包括發射陣面和接收陣面，其中發射陣面包括2個子陣，接收陣面包括8個子陣。對于整機而言，主要的熱源為各子陣上的發熱器件，因此本文主要依據陣面熱耗對整機進行熱設計與驗證。整機陣面總熱耗為1 058.2 W，其中發射陣面總熱耗為455.8 W，接收陣面總熱耗為602.4 W。單個子陣發熱器件分布圖如圖2所示，熱耗參數如表1、表2所示。

2 "整機散熱方案設計

熱設計的基本原則是在發熱功耗器件與大氣熱沉之間建立一條最小溫升的熱阻通道，保證發熱功耗器件的熱量能夠快速傳遞至大氣熱沉中，為熱耗器件保持一個良好的溫度環境，同時兼具較好的經濟性、良好的維修性、較高的可靠性和兼容性等[11]。對于該相控陣天線而言，其熱控要求是在最高環境溫度為55 ℃時，整機發熱器件最高溫度小于其允許最高溫度，且各陣面溫度一致性不高于10 ℃，即各發射芯片最大溫差和各接收芯片最大溫差均不超過10 ℃。目前，有源相控陣天線散熱方式主要有強迫風冷和液冷兩種[12]，考慮到整機熱流密度和整機結構尺寸要求等因素，本相控陣天線采用強迫風冷形式進行散熱。

2.1 "風量計算

按照理想狀態，所選風機將熱量排出設備外，風機的風量應能將全部發熱量帶走。熱平衡方程為：

[L=QρCρΔt]

式中：[L]為冷卻空氣流量，單位為m3/s；[Q]為整機發熱量，單位為kW；[ρ]為空氣密度，單位為kg/m3；[Cρ]為空氣的比熱，單位為kJ/（kg·℃）；[Δt]為冷卻空氣入口和出口的溫升，單位為℃。

整機的總發熱量[Q]為1.058 2 kW，環境最高溫度為55 ℃，冷卻空氣入口和出口的溫升[Δt]取10 ℃，定性溫度為60 ℃。查詢60 ℃空氣物理參數如下：空氣的密度[ρ]取1.093 kg/m3，空氣的比熱[Cρ]取1.005 kJ/（kg·℃）。通過計算可得冷卻空氣流量為0.096 3 m3/s。按照2倍的裕量選擇風機的最大風量，最大風量為0.192 6 m3/s。通過不斷反復迭代，散熱風機最終確定選用18個軸流式風機，單個風機外形尺寸為40 mm×40 mm×28 mm，單個風機最大風量為0.008 8 m3/s。

2.2 "風道布置

根據整機陣面布局情況，整機共設計兩處風道，一處風道位于發射陣面底部，另一處風道位于接收陣面底部。在發射陣面底部散熱風道一側安裝6個散熱風機用于抽風，同時在風道內焊接厚度為0.3 mm、間距為2.5 mm的散熱翅片。在接收陣面底部散熱風道一側安裝6個散熱風機用于吹風，另一側安裝6個散熱風機用于抽風，同時在風道內焊接厚度為0.3 mm、間距為3.5 mm的散熱翅片。

整機散熱翅片示意圖如圖3所示。

冷卻風機工作時，陣面發熱器件的熱量通過鋁制導熱板傳遞到散熱翅片，冷卻空氣從風道流過時，將散熱翅片熱量帶走，從而實現對發熱器件的散熱。冷卻空氣流向示意圖如圖4所示。

2.3 "熱管布置

為了提高整機熱控結構的散熱能力和均溫能力，選擇在熱控結構正面及背面嵌入高導熱扁平熱管。高導熱扁平熱管傳熱過程為：熱管的一端為蒸發加熱段，另一端為冷凝散熱段，液態工質受熱蒸發為氣體，氣態工質流向一端的冷凝段，并在冷凝段凝結為液態工質，液態工質在毛細抽吸力的驅動下回流至蒸發段，如此往返，實現熱量的高效傳輸[13]。圖5和圖6分別為扁平熱管工作原理示意圖和實物圖。

在整機熱控結構上表面加工出相應的溝槽，用于放置扁平熱管，同時通過焊接的方式使其與熱控結構進行固定，并且保證熱管上表面與熱控結構表面齊平，熱控結構上表面共布置8根扁平熱管。同時，在熱控結構背部，即相應風道底部也進行扁平熱管的布置，熱控結構背部共布置12根扁平熱管。整機熱管布置如圖7和圖8所示。

3 "熱仿真分析

為方便分析，減少計算量，首先，對整機模型進行簡化，去掉所有的螺紋孔、尺寸較小的凸臺、圓角等對熱分析影響較小的特征；然后，將簡化的三維模型通過中間格式導入熱仿真軟件中，并且根據設備模型的復雜程度及仿真結果要求，合理安排網格的疏密，網格劃分好后進行求解。

3.1 "熱仿真參數

環境溫度為55 ℃，材料的導熱系數如下。

1） 熱控結構材料選用鋁合金6061（T6），其導熱系數為167 W/（m·K）；

2） 選用絕緣導熱襯墊，其導熱系數為8 W/（m·K），厚度為1 mm，壓縮后厚度為0.8 mm，壓縮量為20%；

3） 熱管理論導熱系數約為12 000～20 000 W/（m·K），考慮熱管管殼為金屬材料，實際仿真時一般取值5 000～10 000 W/（m·K），本設計取值8 000 W/（m·K）。

3.2 "熱仿真結果

本次仿真模擬55 ℃的高溫工作環境，采用穩態情況下的穩流模型進行求解運算，運行時開啟輻射進行求解，經過運算后達到收斂狀態，進入熱平衡狀態。整機和陣面的溫度分布云圖如圖9～圖12所示。

通過仿真結果可以看出：

1） 在55 ℃環境溫度下，整機最高溫度為94.5 ℃，陣面發熱器件的最高殼溫均小于器件的設計允許最高殼溫。對發熱器件的仿真結果進行統計，結果如表3所示。

2） 各發射芯片之間的最大溫差為2.55 ℃，各接收芯片之間的最大溫差為9.38 ℃，均滿足溫差不超過10 ℃的要求。

4 "整機熱測試

為了驗證方案設計和仿真結果的有效性，進行了熱測試平臺的搭建，如圖13所示，并開展熱測試。該測試平臺主要包括：溫度采集儀、穩壓電源、模擬熱源、熱控結構、熱電偶等。

4.1 "測試方法

該熱測試在環境溫度55 ℃的條件下進行，使用加載模擬熱源的方式來形成模擬陣面，模擬熱源分布如圖14所示。

根據整機陣面布局，在熱控結構相應位置布置測試點。

接收陣面區域測試點分別為A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1，發射陣面區域測試點分別為A2、B2、C2、D2，陣面外圍區域測試點分別為A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3。O1點和O2點分別位于接收陣面區域和發射陣面區域中心位置。測試點分布如圖15所示。

4.2 "測試結果及分析

在熱測試過程中，通過溫度采集儀監測各測試點溫度。待測試點溫度曲線平穩后，讀取各測試點溫度數值，并與測試點仿真溫度進行對比分析，測試點溫度對比如表4所示。

通過表4可知，測試點實測值與仿真值的差值最大為4.9 ℃，最大誤差約為7%。誤差主要來源于模型簡化、測量位置誤差、熱源模擬誤差和邊界條件簡化等原因。誤差幅值在工程研究可接受范圍之內。

根據表4提取發射芯片與接收芯片所對應位置的測試點溫度，形成溫度折線圖，如圖16所示。

通過圖16可看出，發射芯片區域測試點實測溫度溫差和仿真溫度溫差均小于10 ℃，接收芯片區域測試點實測溫度溫差和仿真溫度溫差也均小于10 ℃。因此可得出，整機熱控設計滿足各陣面溫度一致性不高于10 ℃的要求。

通過對以上圖表數據進行分析，表明整機熱仿真數據準確，整機散熱方案設計合理，滿足熱設計要求。

5 "結 "語

本文針對某瓦式高熱流密度相控陣天線開展了散熱方案設計，通過數值仿真分析了高溫條件下發熱器件的溫度狀況，并且通過熱測試對設計與仿真進行驗證。

1） 根據整機陣面布局及熱耗情況，進行了散熱方案的設計。在強迫風冷的條件下，本文采用風道以及熱管的方式來滿足發熱器件的控溫要求以及陣面芯片溫度一致性的要求，為瓦式相控陣天線熱設計提供了一種低成本思路。

2） 根據所設計散熱方案，建立整機熱仿真模型，通過數值仿真得出高溫條件下整機發熱器件的溫度狀況。仿真結果表明：陣面發熱器件最高殼溫均小于器件的設計允許最高殼溫，且各陣面芯片溫度一致性均滿足要求。從仿真層面驗證了整機散熱方案的合理性。

3） 搭建熱測試平臺，通過加載模擬熱源的方式對整機熱控結構進行了熱測試，測試結果表明：實測溫度與仿真溫度基本一致，且實測溫度能夠滿足陣面芯片溫度一致性要求。進一步驗證了散熱方案的合理性和仿真數據的準確性。本文的散熱方案可為后續瓦式相控陣天線提供一定的熱設計參考。

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