星载SAR天线热控技术现状及发展趋势

江守利，苏力争，钟剑锋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

星载SAR天线热控技术现状及发展趋势

江守利，苏力争，钟剑锋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

随着大功率星载SAR(合成孔径雷达)天线技术的发展，阵面设备量及热流密度越来越大，天线热控技术面临新的挑战，对新型热控材料及方法的需求变得愈加迫切。文中对星载SAR天线热控技术的研究现状进行了较全面的综述，针对天线结构形式、阵面发热量、工作模式等方面进行了系统的分析和评述，提出了为实现大功率、高热流密度的热控技术需解决的关键问题，并指出了未来天线热控技术进一步的研究方向。

星载SAR天线；热控技术；热流密度

引 言

星载SAR(合成孔径雷达)作为一种主动式微波成像传感器，通过发射宽带信号，结合合成孔径技术，能在距离向和方位向上同时获得2维高分辨率图像。与传统光学遥感和高光谱遥感相比，SAR具备全天候、全天时的成像能力，还有一定的穿透性，获得的图像能够反映目标微波散射特性，是人类获取地物信息的一种重要技术手段，已被广泛应用于军事和民生领域，是实现空间军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的重要技术手段，成为对地观测的一种不可或缺的工具[1-3]。

由于星载SAR具有全球高分辨率成像能力，因此从1978年美国发射第1颗合成孔径雷达卫星SEASAT开始，很多国家都陆续开展星载SAR技术研究。近10年来，随着世界各国对多元空间信息的日益重视，星载SAR越来越成为对地观测领域的研究热点，全球约有20个星载SAR系统在轨，16个星载SAR系统在建[4-7]。随着SAR技术的进步，未来星载SAR将实现高分辨率宽测绘带、低成本、小型化、多基多模式微波成像，并具有地面运动目标指示的能力，以最小的成本获得最丰富的地物信息，这些亟需SAR系统在新模式、新体制、新技术方面取得突破。

1 SAR天线及其热控系统

1.1 天线及组成

表1是世界上一些典型星载SAR的性能参数，可以看出天线尺寸、功耗、分辨率的种类非常多，未来小型化、多参数(多频段、多极化、多视角)、多星组网等SAR技术的迫切需求带来了天线研制难度的增加，特别是对轻型天线、集成电路和固态电子器件等技术要求愈来愈苛刻[2，8]。

表1 一些典型星载SAR的主要性能[1-8]

图1 SAR天线系统实例

星载SAR天线子系统通常包括天线辐射单元、T/R组件、馈电网络、电源模块、波控单元、高低频电缆组件、框架与机构、仪器安装板等单机，大型SAR天线由若干个子阵构成，有可能采用展开功能天线，最终形成平面天线阵列。SAR天线系统实例如图1所示。有源星载SAR天线辐射单元主要有两种形式：一种为微带天线，如美国的SEASAT、SIR-A；另一种为缝隙波导天线，如SRTM、Cosmo-Skymed、RadarSAT-1。天线系统一般分为T/R组件分系统、电源分系统、波控分系统、馈线分系统、天线热控、框架与机构等几大部分[3-7]。

1.2 天线热控系统组成及任务

天线热控系统一般由热控涂层、多层隔热组件、控温加热回路、热管等组成[9]。热控设计的主要任务是综合考虑天线在轨过程中可能遇到的各种工况，采取适当的热控措施保证设备处于适宜的工作温度范围，即：

1)平衡天线阵面在空间的冷热环境，为天线系统的各单机或组件提供良好的工作温度环境。

2)能够尽快带走发热单机及组件工作时产生的热量。

3)当单机或组件的环境温度较低时进行加热，保证温度指标在要求范围内。

4)对特定单机保证温度一致性。

随着SAR技术的发展，如图2所示，天线热流密度已越来越高。如某星载SAR大口径高功率天线的通道数已达10 000个，单位面积热耗达800 W/m2，而单位面积重量仅为80 kg/m2，天线重量及热控面临严峻考验。

图2 SAR天线热耗增长趋势

未来SAR天线技术对热控的要求表现在：

1)随着电子晶片不断往高性能、高速度、高集成度的方向发展，电子元件的发热量及相对热流量越来越高，局部高热流密度散热问题逐渐变成SAR天线首先要解决的关键问题之一，直接影响到组件的可靠性和寿命。

2)高分辨率要求阵面功率大幅提高，导致单位面积热耗迅速增大，而空间辐射面积有限，导致整个阵面热控系统面临很大压力。

3)轻量化大型天线阵面的重量要求苛刻，对热控系统的重量指标要求高，限制了热控系统能够采取的措施。

4)大型相控阵天线技术的发展带来阵面单机组件数量激增，天线设备密度增加导致热管布局、电加热实施等热控措施困难。

2 天线热控技术

2.1 天线热控设计原则

天线子阵的温度水平受多种因素影响，既与太阳辐射、地球辐射反照等空间环境有关，也与自身的工作情况以及热耗等指标相关。依据不同的技术指标及要求，热控方案有多种，但热控设计遵循的一般指导思想和原则为[9-10]：

1)一般以被动热控为主，辅以主动热控。

2)尽量采用经飞行试验验证的成熟技术及产品。

3)降低系统的复杂度，无单点失效，高安全性。

4)热控组件具有较强的空间环境适应性。

5)较好的工艺性能(生产及总装)和经济性。

2.2 天线热控措施

如图3所示，现代电子设备常用的冷却方式有自然冷却﹑强迫对流冷却(风冷和液冷)﹑沸腾换热﹑半导体致冷﹑热管散热等。考虑到复杂性和可靠性，当天线散热量及热流密度较低时，星载SAR天线热控系统一般不用液冷或两相流系统，传导和辐射是主要的热控方式。由于相变传热具有非常高的换热系数，因此它将成为解决大功率高热流密度天线热控问题的有效途径。

图3 各种冷却方式散热能力比较

传统的热控系统分为不具有自动调节能力的被动热控技术和能根据温度要求主动改变换热特性参数的主动热控技术两种基本类型。对于轨道和姿态相对稳定的SAR天线，所处的热环境及工作模式都比较固定，也不用考虑人为干扰的不利因素。大多数航天器都采用被动为主、主动为辅的热控模式，而针对周期性外热流的变化也可依靠涂层、多层隔热材料等简单的被动热控技术实现。一种典型的星载SAR天线热控实现方案如图4所示，发热单机包括T/R组件、电源模块、波控单机等，通过表面辐射向深空辐射进行散热。

图4 某星载SAR天线散热方案

近年来，随着SAR天线技术的发展及实际需求变化，特别是天线威力及分辨率的提高使得阵面功耗及热流密度快速增大，现有热控技术已越来越不能满足使用要求。“自主热控技术”的设计理念成为国内外的研究热点之一[11]。自主热控汲取了航天器自主运行的思想，意味着热控系统不依赖外界的信息注入或尽可能少地依赖外界干预，结合自身状态，合理进行智能控制，从而完成热控任务。下面就SAR天线热控中目前及将来有可能应用的几类热控技术进行论述。

3 新型热控技术

3.1 热管技术

如图5所示，热管是一种利用工质“蒸发吸热-冷凝放热”相变实现传热的装置。Gangler于1942年首次提出了利用介质相变和毛细吸力在很小的温差下传递大功率热量的构想。20世纪60年代，为解决人造卫星上仪器的温控问题，美国科学家Grover制造了第一根“热管”，从此对热管的研究和应用迅速发展[12-13]。主要特点如下：

1)热管的传热能力比最好的导热金属银、铜高出上千倍，用料少。

2)实现小温差、长距离传热(比如青藏铁路永冻土层的冷却)，热管表面各处温度较均匀。

3)无动力，只利用重力和毛细吸力，无运动部件，安全可靠，无噪声，免维修。

4)热管系统结构适用性强，热源和散热部分相对独立，能满足实际工程设计要求。

图5 典型的热管结构

3.2 微热管技术

微热管是随着微电子技术、电子装置小型化发展而兴起的技术[14-15]，不仅可以控制表面的最高温度，还能实现微小温差传热。笔记本电脑CPU广泛采用微热管散热方案，其直径一般为3 mm，比热沉风扇冷却方式效果更好。文献[12]在1984年提出微热管概念以来，其结构形式从重力型毛细芯热管发展到具有多行平行独立微槽道的平板热管。目前针对电子设备冷却的特定要求，已出现了平板型电子冷却热管、重力辅助热管、柔性回路热管和微型空气-空气换热管等多种微热管，甚至可以用微热管替代高导热的金刚石用于集成电路芯片硅衬底中。将若干个热管嵌入到基板(通常为铝板)表面是CPU通用的冷却形式，由于存在接触热阻，后来发展了一种用铝板胀接挤压而成的无接触热阻的圆棒热管，在电子设备冷却方面有很大的应用前景[15]。

平板型热管可以把热量从集中发热区域传递到大面积区域，增大了冷凝面积，降低了热流密度，比普通热管具有更大的冷却面积，且重量轻、导热性能好，广泛用于航天器热控系统、大功率电子元件冷却[16]。文献[17]建立数学模型对扁热管的热性能进行计算，研究了相界面上温度、压力和质量流率间的关系。文献[18]研究了多孔泡沫铝PCM材料替代热沉的热管，结果指出影响热管的最大传热系数的因素有液芯金丝网目数、网层数、倾斜角等。

3.3 新型相变储能热管技术

根据SAR天线瞬时工作特点，利用相变材料的相变储能特性，高效相变储能技术可在相变材料的相变温度点吸收天线工作时产生的大功率热量并储存起来，从而抑制天线的温度波动。由于相变材料的相变温度点恒定，在理想条件下，高效相变储能技术可将天线的温度始终控制在很窄的范围内，从而实现对SAR天线温度均匀性的控制。因此高效相变储能技术特别适用于SAR天线热控。

新型相变储能热管技术的研究内容包括以下两个方面：

(1)提高相变工质的效率

通过研究传热强化技术和优化相变储能设备构型，在原有相变热管的基础上进一步提高相变设备的效率和控温效果。目前，热控系统广泛采用石蜡类相变材料，该材料的优点是溶解热大、一般不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀，缺点是导热系数小[9-10]。石蜡类相变材料自身导热系数小会导致储热装置的储能过程温度变化较大，从而降低整个相变储能装置的效率。

(2)高性能毛细槽道结构热管的优化设计

轴向毛细槽道高性能空间热管由于优越的导热性能以及结构简单、质量轻体积小、无运动部件、能在微重力条件下稳定工作的特点，被广泛应用于航天器热控系统及微电子器件散热等领域，通过对毛细槽道、气管、管壳结构等优化设计研制出新型的紧凑型高性能热管。

4 智能热控涂层技术

4.1 天线热控涂层

热控涂层是具有特殊的热辐射性质、用以调节物体辐射热交换的表面层，即通过调节吸收太阳光的能量和向周围空间环境辐射热量来实现温度控制的表面涂层。在空间真空环境下，物体的表面温度在很大程度上取决于其表面的太阳吸收比和红外发射率的比值，因而，SAR天线等设备的不同表面温度可以通过选取不同的热控涂层来进行调节，如式(1)[9]所示：

αSASS=AeσεT4S

(1)

式中：αS为天线表面太阳辐射的吸收比；AS为天线在垂直于太阳光的平面上的投影面积；太阳常数S=1353W/m2；Ae为天线表面辐射面积；黑体辐射常数σ=5.67×10-8W·m2/K4；ε为天线表面的发射率；TS为天线温度，单位K。

热控涂层按其组成特点可分为金属基材型涂层、电化学涂层、涂料型涂层、薄膜型涂层、二次表面镜型涂层、织物涂层等[10]。金属基材型涂层直接在金属基材的表面进行一定的处理就可以形成，如经抛光、喷砂等工艺处理后的表面。电化学涂层一般采用阳极氧化、电解着色和电镀的方式来制备。涂料型涂层是应用最广泛的一种热控涂层，它又可以分为有机涂层、无机涂层和等离子涂层等几类，通常由黏结剂和颜料组成，采用不同的颜料和配比就可以得到不同热辐射性能的涂层[9]。

热控涂层对于SAR天线是必不可少的。根据不同的温度要求、部位、底材、工艺实施等因素选用不同的热控涂层：

1)对于天线的散热面，选用低太阳吸收比、高红外发射率的涂层，提高表面的散热能力。

2)对于天线内部设备，一般采用高发射率的热控涂层，以增加组件间的辐射换热。

热控涂层的设计需要考虑一定的余量以抵消空间环境导致的性能衰退，其热控调节方式是被动的，且调节余地很有限。因为SAR天线工作模式、轨道、功率热耗增大等因素，天线温度一致性要求越来越重要，天线热控必须提升自主热控能力，以减小天线射频性能、阵面热变形等对天线辐射精度的影响。

提升天线主动热控技术的一个重要途径是采用智能热控涂层技术，即天线表面涂层具有一定的主动热控功能，具备在复杂工作条件下独立完成自主热控任务的能力。实现智能热控涂层的方法有[19-23]：电致变色涂层；热致变色涂层；智能型MEMS热控百叶窗(可反复展开式辐射器)。

4.2 电致变色热控涂层

电致变色是指在外加电场的作用下，材料的价态与化学组分发生可逆变化，使材料的发射特性发生可逆改变的现象。可以在恰当的时机选用合适的电压来改变目标的光学特性，实现表面热辐射参数的变化[19]。

金属氧化物(氧化钨、氧化镍等)和导电高分子聚苯胺、聚噻吩及其衍生物等制作的电致变色热控器件，由于具有较好的发射率调控能力，有希望在未来天线热控技术中应用。美国NASA在2006年3月发射的ST-5卫星对Ashwin-Ushas公司的电致变色涂层进行了飞行验证；美国Eclipse Energy Systems公司研制的Eclipse VEECDTM变发射率膜，增加了红外透明保护膜，将电致变色层部分与恶劣的空间环境隔离，并且集成于美国海军学院的MidSTAR小卫星上进行飞行搭载试验，成功地完成了热控性能验证[23]。我国中科院上海硅酸盐研究所曾对无机材料WO3进行了长期的试验研究。用辐射计法测得初始沉积态WO3薄膜在金基底上的法向发射率为0.042，经过-1.0 V半分钟着色处理后，着色态WO3薄膜在金基底上的法向发射率为0.45，可见WO3薄膜的发射率调控范围为0.4，而两发射率之比为10.7[24]。

4.3 热致变色智能型热控涂层

热致变色是指材料在一定范围内随温度变化发生颜色变化的特性，可被用来研制智能型辐射器。热致变色涂层的太阳吸收比或发射率可以随天线表面温度变化或航天器热控的要求而改变，从而起到自动调节温度的作用。

目前国内外研究较多的是镧锰氧(LMO)和VO2热致变色可变发射率材料[25-29]。理想状态下，红外波段的半球发射率可以随基体表面温度的变化而大幅度变化，发射率变化范围最大在0.4。基于La1-xCaxMnO3和La1-xSrxMnO3类材料的热控器件的研究，目前日本最成熟。这种混合化合价的亚锰酸盐，当掺杂量x在特定范围内时，材料存在从金属态到绝缘态的转变。相变温度以上为绝缘态，具有较高发射率；相变温度以下为金属态，具有较低发射率。通过控制掺杂范围，可以将相变温度控制在室温附近，更有利于实现航天器室温附近的温度控制。和百叶窗相比，这种智能型热控涂层还具有无移动部件、响应速度快、耗能小和容易实现智能化控制等优点。目前的研究重点主要是涂层的制备技术、机理研究、如何获得热辐射性能的最大调控范围。

4.4 智能型MEMS热控百叶窗

MEMS(微机电系统)的外形轮廓尺寸在mm量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在μm至nm量级。MEMS集微机械制造技术与微电子加工工艺于一体，相对于常规机械系统而言，MEMS器件具有体积小、质量轻、功耗低、响应快、智能化和适合批量生产等特点[23]，因此能够用于微型SAR天线热控系统。图6是几种典型的MEMS智能热控原理图。

图6 MEMS智能涂层微观结构[23]

文献[30]研制的开合式百叶窗在每平方厘米大小的辐射表面集成了400个300 μm×500 μm微型叶片，这些微型叶片可在电子信号驱动下自由开关，从而可根据需要将等效发射率控制在0.1～0.9之间。NASA的ST-5卫星上使用的是空间可靠性最高的滑动式百叶窗[31]，整体面积为90 cm2，由36个12.6 mm×13 mm的模块组成；由6组小型静电梳齿驱动电机驱动，整体重量为56 g，驱动电压60 V，发射率可在0.3～0.6范围内线性调节，设计寿命为10 000～50 000循环，这些热控MEMS系统具有很大的热辐射调控范围，是满足未来SAR天线热控需求的重要途径，但需要进一步解决其工程应用所面临的各种问题。

5 基于LHP技术的热控系统

环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)是一种两相流的高效传热装置，它利用蒸发器内的毛细芯的毛细驱动回路运行，采用工质的蒸发和冷凝传递热量，可以实现长距离、小温差的大热量传递[10]。图7是LHP的原理图，蒸发器靠近需要冷却的组件单机发热部位，冷源与热源之间由流体管路相连接，形成一个高效传热单元。

图7 LHP原理图

LHP技术经过多年的发展已经较为成熟[32]，前苏联、美国等已经开展了空间环境条件运行特性研究。1995年俄罗斯在Obzor航天器上第一次将LHP应用到飞行器的热控中，1999年美国的Hughes HS 702上首次应用了展开式辐射器的LHP技术，中国的风云系列卫星验证了LHP技术。针对未来大功率、高热流密度SAR天线的热控技术需求，LHP技术发展方向如下：

(1)基于LHP传热单元的展开式辐射器集成热控系统研究

当大型星载SAR天线的热耗超过10 kW时将会存在散热面积不足的问题，为满足散热需求而不增加总的体积和重量，研究带有展开式辐射器的LHP集成热控系统将是新的研究热点。利用LHP的高传热性能和热传递管线的柔韧性，传热管线可直接作为热关节使用，研究内容集中在仪器安装板上的热量收集方法、冷凝器与辐射器的集成耦合设计、展开式辐射器设计等。图8是一种基于LHP的模块化柔性热控系统结构，采用热管网络将仪器设备安装板等温化，通过一种新型LHP将热量传输到辐射器排散出去。通过热管网络可以很好地实现蜂窝板内部二维方向的等温化，并且由于热管均预埋在蜂窝板内部，仪器设备安装板可以作为一种热控标准件，有利于在SAR天线的总体布局上形成具有共性的、优化的平台体系。

图8 柔性LHP热控系统

(2)小型带有平板蒸发器的LHP(MLHP)热控技术

MLHP在仪器安装板上的传热能力强、等温性好、重量轻，且方便与组件单机装配集成，尤其适合高散热量场合。文献[33]研制了30 mm的平板蒸发器，实验结果表明MLHP具有优良的性能，但存在小热负荷启动不稳、漏热大的问题。为此文献[34]提出了多层复合芯体的概念，减小芯体的反向导热，强化蒸发面的换热，使其在1～60 W功率范围内启动。小型化LHP的研究热点是复合芯体的研制。

(3)多蒸发器LHP热控系统

在SAR天线阵面中，发热单机是多点、分布式的。把若干模块上的热回路连接起来，形成多蒸发器LHP热控系统，不仅大大减小了系统重量，而且对于提高整个阵面的温度一致性非常有效。如文献[35]已成功研制了3个蒸发器并联的LHP系统，其缺点是随着蒸发器数量的增加，补偿器的体积会成倍增加。而文献[36]力推多蒸发器共用一个液体补偿器，减小了系统重量。由于是新技术，在成功应用型号前，在理论研究和工程应用方面还需进行大量验证工作。

6 热控仿真技术

SAR天线热控系统的设计是一个反复迭代以达到最优的过程，在轨期间天线上各种器件及设备的温度预示是一个十分复杂的问题，一是天线上器件设备众多，结构形状错综复杂，相互之间传导、辐射等热交换计算困难；二是天线工作模式的多样性(多模式)和不确定性(根据需要的随时开关机等)；三是天线外部环境因素的影响更是时刻发生着变化，其对温度的影响也是瞬态的。另一方面，热真空试验不仅耗费大量的人力、物力和时间，而且不便于及时分析热控系统的动态性能和控制品质，因此在进行热真空试验之前先采用计算机仿真技术对SAR天线进行在轨实时仿真以验证或优化热控系统的设计，是一种经济、高效、必要的设计手段[9，37]。

目前在SAR天线热控系统设计计算中广泛采用了精度较高的热网络法及有限元法，且均有成熟的商业热分析软件包，如SINDA/G、ESA、I-DEAS、NEVADA、TRASYS等[10]。有资料表明，目前国外卫星平台系列基本上已经能够做到用热分析代替热控星热平衡试验，计算值与试验值相差基本在±5 ℃范围内[37-40]。

热网络法精度较高，但却是一个典型的参数多、高维、刚性且耦合的模型。如果SAR天线分辨率要求很高、通道数超过万级，原有的计算方法所需的仿真时间已不可接受。为此文献[41]采用双层集总参数模型进行实时动态仿真，与传统的热网络法相比，该模型所需参数少、维度低，有效地避免了刚性问题，实现了计算节点的解耦。

天线热控技术另一个重要的发展方向是与结构、电讯的一体化综合仿真。天线威力、重量、尺寸等相关指标要求越来越高，大型有源天线阵面设备数量大，组件间的电连接(电缆组件、电连接器等)众多，温度对射频链路及通道一致性的影响较大。为满足天线精度要求，必须进行热变形、温度一致性等耦合仿真，同时开展结构集成设计以满足阵面模块化、高精度、轻量化的要求。

7 结束语

随着天线技术的发展及需求的变化，未来星载SAR天线将实现多通道、高分辨率、多工作模式。天线阵面的规模越来越大，功能越来越完善，同时也带来了严重的重量和热控等问题。较长时期内天线热控将一直是SAR天线的关键技术之一，是保证天线性能的重要条件，迫切需要在高热流密度的散热及高精度温控等方面进行进一步研究。

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江守利(1982-)，男，博士，高级工程师，主要从事天线结构及其环控技术等方面的研究。

Status and Prospect of Satellite SAR Antenna Thermal Control Technology

JIANG Shou-li，SU Li-zheng，ZHONG Jian-feng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

With the rapid development of high power satellite SAR antenna technology, the amount of antenna modules and their heat flux density are getting higher. Antenna thermal control technology is facing challenge. New thermal control material and method are more desired. The status of satellite SAR antenna thermal control technology is reviewed in this paper. Aspects such as structure type, antenna heat generation, operating mode are systematically analyzed and assessed. Some key problems about the realization of thermal control technology of high power and high heat flux density are proposed. This paper also provides the future research direction of the SAR antenna thermal control technology.

satellite SAR antenna; thermal control technology; heat flux density

2013-02-27

国防基础科研重点项目(JCKY2013210B004)

TN957.2

A

1008-5300(2013)06-0006-08