相控阵雷达子阵的热设计

弋 辉

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安 710068)

组成相控阵雷达子阵的T/R组件和功能模块都是大的发热源，子阵的热流密度很大，同时其对环境的要求很高，不仅单个组件对工作温度有较高的要求，而且还要求组成阵面后各阵元的温度一致性要好。因此，热设计的目的不仅要解决子阵的散热问题，而且要维持整个阵面的热均衡性。

对子阵散热进行理论计算存在较大难度［1-2］，因为子阵的散热单元多，结构形式复杂，热流通道多。通过热实验的方式进行热设计，需要大量的成本和时间，而且往往只能达到事倍功半的效果。通过计算机仿真软件，可从仿真计算结果中得到以往通过实验获得的信息，可以较为简便地对设计进行适当的优化［3-4］，这推进了相控阵雷达散热问题的研究。

本文应用热仿真软件CFdesign对子阵进行热分析，通过对多种方案仿真结果的对比分析，得到了能较好满足总体指标要求的子阵热设计方案。

1 子阵组成及仿真建模

1.1 子阵的结构及各层热耗

子阵由天线、T/R、功分单元、变频单元、数字单元、电源、安装板以及冷板组成。各单元热耗与子阵的工作状态及元器件的效率有关，估算的热耗参数为：T/R310W，功分单元5W，变频单元10W，数字单元31W，电源45W。

对子阵进行热设计，需要实现的目标为器件表面最高温度小于70℃，子阵中各T/R组件表面温差小于5℃。

高功率密度和大功率器件的散热采用强迫液冷的方式，通过强迫液冷冷板和液冷机组实现。冷板是与发热设备直接接触的部件，冷板冷却效果如何，直接影响发热器件的工作温度。当冷板的外形尺寸和进出水口的位置确定后，对冷板的流道设计就成为关键。图1为3块不同流道的冷板，流道参数见表1。

图1 不同流道的冷板

表1 冷板的流道参数

冷板的安装位置对子阵系统的散热影响较大，一般要靠近主热源。1号安装位位于天线之下T/R之上，2号安装位位于T/R之下功分单元之上，3号安装位位于功分单元之下变频单元之上。有时考虑到电气性能和安装条件，需要改变冷板的安装位置，因此对冷板不同安装位进行分析很有必要。

影响子阵系统散热的因素还有各功能单元的封装形式，主要体现在封装壁厚和是否给元器件加装导热板。本文对变频单元、数字单元和电源单元建立了3类封装模型。第1类封装壁厚为1mm且无导热板;第2类封装壁厚为2mm且无导热板;第3类封装壁厚为1mm且加导热板。

如何通过对冷板的流道设计和安装定位以及功能层的结构设计，来实现热设计目标，本文将对此进行数值模拟研究。

1.2 仿真模型的建立

为了研究结构参数对子阵温度分布影响的规律，根据实际子阵结构形式建立数值仿真系列模型，依据单因素变量原则将模型分为以下3组，名称和参数见表2。

表2 模型结构参数表

仿真计算采用定常计算方法，流体采用k-e湍流模型，进水温度设为30°，进水口、出水口分别赋予不同的压力，形成压差，模拟子阵液体冷却。对器件赋热耗值，设定结构件材料，并对接触面赋热阻。表3为主要材料的导热系数及相互之间的接触热阻的经验值。液冷散热效率远大于自然散热，不考虑外部环境的影响、太阳辐射的影响以及子阵之间的热辐射，将模型导入仿真软件生成四面体网格。

表3 主要材料的导热系数及接触热阻经验值

2 数值仿真结果对比

2.1 网格无关性分析

对MZ1组冷板2进行网格加密处理，观察其温度场和流场变化情况，表4为模型网格数和仿真结果之间的关系。可以看出，网格数在50万个左右时，最大流速、流量、液体温升、天线安装基板最大温差以及子阵的最高温度都基本稳定。因此模型的网格数都控制在50万个左右。

表4 网格无关性分析

2.2 冷板不同类别的仿真结果

图2为MZ1组模型仿真结果的温度剖视图和温度全图，表5为仿真结果的数值，从表中可以看出，冷板1的温度参数好于冷板2和冷板3，但其所需流量大，且水流速度高，不易实现;冷板3的流量小，出口温度高，导致子阵最高温度和基板温差明显增大;冷板2的各项参数符合实际工程应用的需求。结合表1进行分析，可以看出，在进出口压差一定的情况下，流道不应太短，其截面积不应太小。

图2 MZ1系列模型仿真结果温度图

表5 MZ1系列模型仿真结果数值表

2.3 冷板不同位置的仿真结果

表6为MZ2组模型的仿真结果数值，图3为与之对应的仿真结果温度图。可以看出，冷板位置对液体的最大流速、出口流量、出口温度影响很小，但对整体温度分布影响比较明显。2号安装位的最高温度和基板温差都最小，为合理安装位。

2号位冷板上下最高温度相差较小，说明热流路径分布比较合理;1号位冷板偏上，各功能单元温度偏高;3号位冷板偏下，导致T/R温度偏高。

图3 MZ2系列模型仿真结果温度图

表6 MZ2系列模型仿真结果数值表

2.4 功能层不同类别的仿真结果

表7为MZ3组模型仿真结果数值，可以看出不同类型的功能单元，其散热效果不同，功能单元加装导热板可以较大幅度降低功能单元的最高温度，而T/R单元散热效果变化较小。

表7 MZ3系列模型仿真结果数值表

在定性分析子阵的散热规律时，没有考虑接触热阻的影响，而在实际计算子阵的最高温度时，接触热阻是不可忽视的，其对由热流路径引起的热阻起到叠加的作用。图4为2类和3类封装模型添加上表3所示的接触热阻时的仿真温度剖视图和温度全图。可以看出，T/R单元和功能单元最高温度都明显增高，功能单元增高幅度较大。

3 数值仿真结果分析总结

3.1 温度分布和冷板类别的关系

对仿真结果初步分析，可以看出冷板的流道设计对子阵的散热影响较大，这是因为在进出口压力一定的条件下，改变冷板的流道特性，将明显改变流经冷板的流量大小。同时出口温度的高低由总热耗和流量确定，出口温度对温度场的影响表现在对最高温度和基板温差的影响。液体温升Δt1=Φc/(Qf×ρ×Cp)。其中Φc为总热耗;Qf为液体流量;ρ为液体密度;Cp为液体比热。强迫对流换热温升Δt2=Φc/(hc×A)。其中hc为对流换热系数，与雷诺数以及管道有效直径有关;A为管道散热面积。Δt3表示各单元需要散热的元器件与冷板之间的温差，与热流路径、材料的导热系数和接触热阻相关。

表5中出口流量和出口温度之间的关系吻合液体温升的关系式，最高温度和基板温差与出口温度呈正相关，因此对冷板进行合理的流道设计，控制好出口流量的大小，对整个系统的热设计是至关重要的。

3.2 温度分布和冷板安装位置的关系

冷板不同的安装位置影响各散热模块的热流路径，改变各模块温升Δt3的大小。合理的安装位可使Δt3的最大值尽可能的小，避免局部温度过高。

T/R单元为主热源，但当冷板紧贴T/R单元时，子阵的最高温位于数字单元，冷板位于2号位时，子阵最高温较低。功分单元为印制板，导热性差，冷板位于3号位时，子阵T/R单元温度明显升高，远高于功能单元。可知冷板安装位置不一定要位于几何中心，而是应该位于考虑热阻时的热流路径的中心。

因此子阵冷板的安装位应该着重考虑散热模块的空间位置分布，并以此为依据对子阵电子结构的设计提供建设性意见。

3.3 温度分布和功能单元类别及接触热阻的关系

不同的功能单元类别对热流路径产生不同的影响，接触热阻对热流路径上的热流分配及路径通畅产生影响。

加导热板的第3类封装增加了功能单元散热元器件到冷板的热流路径，使功能单元最高温明显下降。在接触面增加接触热阻后，热流通过接触面时会产生温升，使得功能单元最高温明显上升。在考虑接触热阻时，因为第3类封装比第2类封装热流路径多，接触面热流变小，局部温升减小，所以第3类封装温升较小。第2类封装与第1类封装相比，热流路径变宽，传导热阻减小，功能单元最高温度较低。

因此在对子阵功能单元结构进行设计时，应根据热耗位置及大小合理布置热流通道，使各功能模块在允许的温度条件下工作。

4 结束语

运用仿真软件对子阵设计方案进行了热仿真模拟，通过对不同方案仿真结果进行对比分析，总结出结构因素对子阵热设计的影响规律，为合理地对相控阵雷达子阵进行热设计、缩短子阵研制周期和降低成本提供参考，对子阵的总体设计亦具有参考价值。

在研究方法上采用了单因素变量分组的方法，并在热设计中考虑了流体特性和接触热阻，这对同类设备的热设计［5-6］也具有参考价值。

［1］ 赵惇殳．电子设备热设计［M］．北京：电子工业出版社，2009．

［2］ 杨世铭，陶文铨．传热学［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［3］ 梅启元．热仿真分析技术在相控阵雷达天线散热设计中的应用［J］．电子机械工程，2007，23(3)：11-14．

［4］ 彭祥龙．相控阵天线集成技术［J］．电讯技术，2010，50(10)：112-116．

［5］ 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)：91-93．

［6］ 李增辰，贾建蕊．有源阵列阵天线系统的热设计［J］．电子科技，2009，22(8)：80-82．