某有源相控阵雷达阵面散热设计研究

李宝洋

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，西安 710068）

众所周知，TR组件是有源相控阵雷达的关键部件，它是连接前端天线模块与后端射频处理模块的媒介，其功能是对射频信号的放大、移相、衰减等。在实现该功能的过程中，受制于芯片材料与工艺限制，其效率只有20%左右，甚至更低，其余80%的能量以热量的形式表现出来。传统砖块式TR组件由于体积较大，其与散热媒介之间的接触面积较大，组件之间空间较大，大部分能够满足散热需求。但是，本文研究的相控阵雷达使用的是体积小、集成度高的瓦片式TR组件，其俯仰与水平两个方向上的单元间距均小于15mm，故对散热提出严苛的要求。本文主要研究一种瓦片式TR组件阵面的散热方法，解决散热与大功率、小体积之间的矛盾。

1 有源相控阵雷达阵面散热概述

目前，有源相控阵雷达设备从散热角度可以分为前端发热设备、中间传导媒介设备和末端冷却装置三大部分。前端发热设备主要有TR组件模块、变频模块、电源模块等；中间传导媒介设备主要有热管、均热板、液冷冷板、风冷管路等；末端制冷设备主要有换热器、齿片、风机或泵等。其工作原理如图1所示。前端发热设备发热量为ΔQ，通过传导媒介设备将热量导出至换热器，其间接触热阻为Q热阻，通过风机或者泵完成热量的交换，最终将热量释放到环境中，达到散热的目的。

图1 散热原理

2 某有源相控阵雷达阵面散热设计

2.1 相关背景与散热条件

某型雷达阵面由子阵拼接而成，子阵可以在俯仰和方位两维空间内扩展，以满足不同频段雷达指标要求。子阵由天线单元、TR组件单元、变频模块单元组成，其简易模型如图2所示。其采用了瓦片式TR组件的设计方案，导致子阵与子阵之间间隙很小，散热装置只能贴附在子阵背面。

子阵发热功率约为60W，其中50W主要集中在TR组件上。一个阵面由72个子阵拼接而成，发热量共4320W。供电电源热量约为512W，其均匀分布在子阵周围。总热量合计接近5000W。整个雷达阵面要求投影面积不超过1.4m2，这给散热设备预留的空间较小。TR组件允许最高壳温不超过85℃，并且组件壳温温度一致性控制在7℃以内。环境温度48℃，太阳辐射1110W/m2。

图2 子阵简易模型

2.2 散热结构原理设计

为了解决上述问题，设计一种均热板配合风冷设备的散热装置，其示意图如图3所示。将均热板贴附于子阵TR组件背面，利用均热板平面方向上的高导热能力将子阵组件壳温温差降低。强迫风冷风道贴附于均热板背面，通过风道内的齿片和风道两端的风机将导入均热板内的热量带出整机设备。

图3 散热结构原理

2.3 散热结构设计

由于子阵形状和主要发热器件分布的特殊性原因，均热板不能是一整张或几大块整板的组合，而是长条状的多根平板，其宽度约为80mm，长度约为500mm，厚度约为10mm。

强迫风冷通道贴附于均热板背面，由于空间限制，通道高度小于65mm，长度、宽度与均热板相同。为了增加冷空气与通道的接触面积，通道内设计排列散热齿，齿片壁厚1mm，间距2mm。10个子阵以2×5的方式排列、其背面安装均热板和强迫风冷通道的示意模型如图4所示。

图4 子阵与均热板的散热模型

3 某有源相控阵雷达阵面散热数值模拟

3.1 有限元模型建立

为了方便研究，以10个子阵的模型作为研究对象。10个子阵以2×5的方式排列。其散热有限元模型如图5所示。子阵中天线是铝制实体，有限元分析时不需简化。TR组件和变频数字模块均为铝制盒体，内部有发热芯片，有限元分析时需要将印制板等不发热器件省略掉，只保留主要发热芯片的位置和大小参数。均热板为铝制平板焊接而成，其内部为空腔毛细结构，充入液体导热工质，有限元分析时结构物性参数以铝为基础，修改平面方向上的导热参数为实际均热板导热参数即可（该参数远大于铝本身的导热参数）。强迫风冷风道由精密铸造或焊接配合机加加工而成，有限元分析时不需要简化。

图5 散热有限元模型

3.2 均热板导热能力与组件均温性之间的关系研究

首先研究均热板对子阵中组件壳温温度一致性的影响。仿真参数设定如下：强迫风冷入口空气温度48℃保持不变；环境温度48℃保持不变；空气流速2m/s；风道截面积小于65mm×80mm，可利用空间小，只能选择较小的风机，故压力不能太大，以往经验估计风压在100～200Pa；均热板平面方向导热系数在1500～3000W/（m·℃）。

在理论范围内改变均热板平面两个方向上的导热系数，得到均热板与温度之间的关系如表1所示。

表1 均热板导热系数与温度关系

图6 子阵2×5排列风冷温度云图

由表1和图6可以看出，随着均热板导热系数的增加，整体模型的最高温度略有下降，组件的温差由11.88℃将低到8.85℃，冷却风温升略有降低。这说明在风量一定时均热板自身的导热能力增加不能大幅度降低组件温度，但是可以有效改善组件温度的一致性。

3.3 太阳辐射对组件温度影响研究

国家军用标准要求，雷达整机在太阳辐射强度为1110W/m2时能正常工作。将太阳辐射通过下述方法转化成热量，加载在子阵模型上。

一个子阵的投影面积S=a×b=120×100=12000mm2=0.012m2，按照两面计算就是2S=0.024m2，每个子阵受到的辐射热量Q=2S×1110W/m2=26.64W。

将该部分热量直接加载在子阵模型上，得到温度云图、太阳辐射与温度关系，分别如图7、表2所示。

图7 增加太阳辐射后的子阵温度云图

表2 增加太阳辐射后子阵温度关系

由表2和图7可以看出，加入太阳辐射后组件的最高温度、组件温差、冷却风温升都有大幅度增加。虽然组件最高温度仍在85℃以下，但是组件温差过大，需要使用导热能力更好的均热板，同时小幅度加大进风量，才能消除太阳辐射带来的影响。

3.4 整机阵面散热研究分析

将上述研究结论引入整机阵面中，对整机阵面进行研究分析，输入条件为：冷却风温度48℃（国军标要求）；入口风速2m/s；每个子阵功率60W；每个子阵受太阳辐射热量26.64W；环境温度48℃。

图8 阵面温度云图

经过研究分析得到的阵面温度云图如图8所示。其中阵面最高温度约80℃，子阵组件温差约9℃。阵面组件温度一致性还需要继续优化。

4 结论

本文首先对相控阵雷达散热进行概述，然后以某型雷达阵面为例，对10个子阵2×5的排列方式进行散热研究分析，设计一种利用均热板和强迫风冷相结合的散热方案，最终将该方案应用在整机阵面中。研究表明，在风量一定时，均热板自身的导热能力增加不能大幅度降低组件温度，但是可以有效改善组件温度的一致性；太阳辐射能够大幅度影响组件温升，是设计时必须考虑的重要因素，但是在整机阵面温度的一致性问题上还有可以继续优化的空间。

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]翁中杰.传热学[M].上海：上海交通大学出版社，1987.

[3]毛希澜.换热器设计[M].上海：上海科学技术出版社，1988.