某相控阵雷达天线阵面热设计及流量分配研究

任 恒

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

某相控阵雷达天线阵面热设计及流量分配研究

任 恒

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

有源相控阵雷达天线阵面中T/R组件的散热对雷达的性能和可靠性有重要影响。本文针对T/R组件内功率放大器体积小、热流密度大的特点，采用热控与结构协同设计技术，将水道集成在天线骨架内，并采用热仿真软件对功率器件的温度分布进行了分析。热仿真结果表明通过控制流量可以实现功率器件的良好散热。针对天线阵面冷板种类多、流量分配难度大的特点，通过在天线框架内合理布置流道，采用压力－流量匹配技术实现了25个冷板流量的精确分配。

天线阵面;高热流密度;热设计;流量分配

引言

有源天线阵面是相控阵雷达的核心分系统，对雷达系统的威力、性能、平台适应性、性能载荷比、可靠性、重量、功耗等重要属性以及性能的提升起到了决定性的作用。为了满足雷达系统超大规模、高功率、高性能负载比、多平台等要求，有源天线阵面向着高效率、高集成度、低能耗、空间环境适应性强的方向发展，合理有效的热管理技术是实现上述目标的有效手段之一。

为了实现有源天线阵面小型化、高可靠性的目标，军用电子元器件走向高密度、高集成度的发展道路，基础功能模块向极小化、多功能化的趋势发展。随着器件集成度的提高以及雷达探测威力的增大，有源阵面的热耗以及局部的热流密度都迅速增大，未来全数字雷达的有源阵面热耗将达到兆瓦量级，而作为相控阵雷达核心器件的T/R组件或其他功率组件热耗将达到千瓦量级，功率芯片局部热点热流密度将可能超过200W/cm2。电子器件都有其工作温度的上限，任何设计精良的电子设备在长期过热及不均匀热应力的情况下都会发生故障或是失效，美空军整体计划分析报告里指出:电子设备的失效有55%是由温度引起的，“10℃法则”也明确指出:半导体器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%。此外，为了给电子芯片提供稳定的工作环境，通常都是将其封装之后再安装在相应的组件上使用。显然，电子芯片封装过程会带来额外的封装热阻，这会进一步恶化电子芯片的传热路径。在这样的情况下，对于热流密度达到150W/cm2的电子元器件的散热问题，自然冷却、强迫风冷以及常规液冷技术已经无法解决。热控结构一体化设计技术被认为解决高热流密度电子设备散热的可行方法。

目前，对于组件级电子设备的热分析和数值模拟已有很多报道［1－4］，但关于大口径雷达天线阵面的热设计和流量分配分析国内外相关研究还较少。关宏山［5］对某相控阵雷达液冷管网流量分配进行了研究，通过将管网进行分区和分层处理，将大型液冷管网划分为若干个小型网络，大大降低了流量分配的难度。钟贤和等人［6］采用数值模拟和试验相结合的方法研究了多支管流量的分配均匀性问题。本文采用热仿真软件对相控阵雷达整个天线阵面进行了热设计与流量分配分析。先对单个冷板进行热仿真，得到满足功率器件指标要求的最小流量，然后通过合理布置流道，实现各个冷板流量的合理分配，对大尺寸多支路电子设备的热设计和流量分配工程应用提供了借鉴。

1 问题描述

1.1 天线框架及T/R组件分布

某有源相控阵雷达天线框架如图1所示。天线框架内安装四通道T/R组件，整个天线阵面共有50列T/R组件。左右两列最短，分布2个T/R组件，中间16列最长，分布8个T/R组件。T/R组件采用独立盲插方式安装在天线框架上，锁紧条向两侧推动T/R组件，使组件壳体紧贴框架，最终通过与框架内水道热交换实现T/R组件的散热，如图2所示。

1.2 T/R组件热分布

T/R组件的主要散热器件有功率放大器、驱动放大器、低噪声放大器和多功能芯片，其中功率放大器芯片和低噪声放大器先焊到厚度为0.2mm，导热系数为154W/(m·k)的钼铜载体上，再焊接在厚度为1.2mm、导热系数为120W/(m·k)的硅铝壳体上。驱动放大器和多功能芯片直接通过导电胶粘结在LTCC基板上，之后通过金锡焊料将LTCC基板焊接到硅铝壳体上。

典型工况下功率放大器的热耗为7.55W，低噪声放大器的热耗约为0.16W，多功能芯片的热耗约为0.75W，驱动放大器的热耗约为0.3W。功率放大器的热流密度约为135W/cm2，多功能芯片热流密度约为15W/cm2，低噪声放大器和驱动放大器热流密度都小于10W/cm2，因此功率放大器是重点关注的散热器件。天线框架中间最长9列晶格两侧各8个 T/R组件，共计64个收发通道，总热耗为560.6W。天线框架两侧最短晶格分布5个T/R组件，共计20个收发通道，总热耗为175.2W。

根据芯片的结温和热阻，要求T/R组件正常工作时功率放大器管壳最高温度不能超过85℃，低噪声放大器、多功能芯片和驱动放大器最高温度不能超过80℃。

2 热仿真分析

2.1 热仿真边界条件

热仿真分析计算的边界条件如下:

(1)外界初始环境温度为55℃;

(2)冷却液入口温度为40℃;

(3)冷却液类型:去离子水。

2.2 热仿真模型

热仿真分析计算采用专业电子设备热分析软件Icepak进行，根据软件建模的特点和要求，在保证仿真结果不失真的前提下，对仿真模型进行了部分简化，

(1)忽略了T/R组件与周围空气的对流散热;

(2)忽略了辐射散热因素;

(3)忽略了所有螺钉孔以及与冷板传热关系不大的局部部件。

热仿真分析模型如图3所示。天线框架晶格厚度为7.4mm，材料为5A06铝合金，此型号铝合金密度为2700kg/m3，导热率为167W/(m·℃)，比热容为896J/(kg·℃)。天线框架最长晶格内布置5个通径为3mm，间距为1.5mm的圆形水道。由于功率放大器热流密度较高，热耗较大，水道集中分布在功率放大器附近。考虑到功率放大器先焊到同等大小的钼铜载体上，再焊接到硅铝壳体上，计算中可以忽略功率芯片与钼铜以及钼铜与T/R壳体之间的接触热阻。

2.3 热仿真结果

天线框架最长晶格内水道负责左右两面共16个T/R组件的散热。在典型工况下，冷却液入口温度为40℃、流量为2L/min时，T/R组件内器件温度分布结果如图4所示。

仿真结果表明，16个T/R组件共64只功率放大器壳体温度最高约为82.7℃，最低温度78.8℃，温度不一致性小于4℃，满足功率放大器壳温小于85℃的指标要求。64个低噪声放大器最高温度为59.4℃，驱动放大器最高温度为55.8℃，多功能芯片最高温度为54.7℃，均满足温度指标要求。

为了分析冷板内流量对功率器件温度的影响，进一步计算了最长冷板和最短冷板内流量分别为1L/min、1.5L/min和1.8L/min时功率管最高温度变化情况，如图5所示。可以看到，当冷板内流量大于1.5L/min时，最长冷板和最短冷板上功率放大器最高温度分别为84.5℃和83.7℃，满足指标要求。

3 流量分配分析

3.1 流量分配模型

为了考察天线阵面内各个冷板的流量分配情况，建立流量分析模型，如图6所示。整个天线框架内共有25个冷板，最长冷板内分布5根通径3mm的水管，最短冷板内分布3根通径3mm的水管，中间长度冷板内分布4根通径3mm的水管。天线框架内流量分配采用两进两出的形式，为了降低天线框架内主水道对冷板流量分配的影响，主水道截面积取为45mm×30mm，确保主水道内冷却液平均流速小于0.6m/s。

3.2 流量分配仿真分析

在一定的耗散功率下，冷却剂的流量越大，对流换热系数越大，发热器件的表面温度将越低，但冷却系统的流阻随流速的增加而剧增，因此冷却液流量应结合系统散热冷却与压力之间的关系综合考虑来确定。根据流量与压力匹配关系，冷却液温升5℃时，估算得出在典型工况下，实现整个天线阵面功率器件的有效散热，需要的冷却液总流量为50L/min。

采用热仿真软件对天线阵面流量分配进行数值模拟。两个圆形接头进口速度取为1.32m/s，进液总流量为50L/min，出口采用压力边界条件，压力为环境大气压力101325Pa。计算得到的整个天线阵面框架内流道压力分布如图7所示。冷却液入口压力最大，约为112068Pa，进出口压差约为10743Pa，满足系统压差不超过1bar的指标要求。图8给出了天线框架中心截面水道内速度分布，此时主水道内冷却液最大流速为0.61m/s，最小流速为0.43m/s;框架晶格内最短圆形水道流速最大，约为1.45m/s，中间9列水道流速较小，最小流速约为1.05m/s。图9进一步给出了整个天线阵面25个冷板内冷却液流量分布情况，此时第14块冷板流量最大，约为2.12L/min，第 1块冷板冷却液流量最小，约为1.82L/min，均大于图5所示的最小流量1.5L/min，可以保证天线阵面上功率器件的有效散热。

4 结论

有源相控阵雷达天线阵面具有口径大、结构复杂、散热器件多、T/R组件热流密度大、温度一致性要求高等特点，采用结构与热控协同设计技术，将液冷流道内置在天线框架骨架中，可以提高天线有效面积，使雷达的功率、分辨率和测角精度大大增强。通过合理布置框架内流道，可以实现热流密度为135W/cm2功率器件的有效散热。针对天线框架内冷板长度不一，冷板上热负载大小不等而导致的流量分配难度大的问题，通过在冷板内设置不同数量圆形流道来调节冷板内冷却液流量，可以将功率器件的温度控制在指标允许范围内。流量分配仿真结果表明，天线框架内25个冷板流量分配误差在15%以内，最小流量大于1.5L/min，可以实现各个冷板流量的精确分配。另外天线框架内置水道可以大大降低液冷系统的供液压力，从而降低供液系统设计难度。随着冷板制造工艺及天线结构集成能力的不断提升，热控与结构协同设计技术将在有源相控阵雷达中得到更广泛的应用。

［1］高玉良，万建岗，周艳.新一代有源相控阵雷达T/R组件热设计［J］.武汉理工大学学报，2009，31(24):91 －98.

［2］杨双根，金开军，朱春玲.液冷组件热设计［J］.安徽工程科技学院学报，2004，19(4):73－76.

［3］任恒，关宏山，彭伟.固态发射机末级组件热设计［J］.制冷与空调，2016，16(3):17－20.

［4］任恒，刘万钧，洪大良，黄靖，张先锋.某相控阵雷达T/R组件热设计研究［J］.火控雷达技术，2015，44(4)，60 －64.

［5］关宏山.某相控阵雷达液冷流量分配系统研究［J］.电子机械工程，2011，27(4):9－12.

［6］钟贤和，张力，伍成波.较大流量多支管流量分配试验与数值模拟［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(1):41－44.

Thermal Design and Flow Rate Distribution of Antenna Array of Phased Array Radar

Ren Heng
(The No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

Cooling of T/R modules in antenna array has an important effect on performance and reliability of active electronically scanned array.Power amplifier in a T/R module features small size and high heat density，integrated design of radar structure and thermal control is adopted，that is，water channels are arranged inside antenna framework.Thermal analysis to temperature distribution of power devices is conducted by using of thermal simulation software(CFD software);simulation results show that effective heat dissipation of the power devices can be achieved by controlling flow rate.In order to overcome challenge such as varieties of cold plates in antenna array and difficulty in flow rate distribution，pressure and flow rate matching technology is used，and precise allocation of flow rate for 25 cold plates is achieved.

Antenna array;high heat flux;thermal design;flow distribution

TN957.2

A

1008-8652(2017)01-055-04

2016-07-11

任 恒(1987－)，男，博士研究生。主要研究方向为电子设备环控系统设计技术。