机载毫米波有源相控阵天线热设计研究

何林涛

(中国西南电子技术研究所，成都　610036)



机载毫米波有源相控阵天线热设计研究

何林涛

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

摘要：针对机载毫米波有源相控阵天线的热设计问题，研究了一种工程需求和专业热仿真软件结合的方法。分析了采用该设计方法的天线热设计流程，分析结果表明，优化流道布局可以有效地解决天线这类电子设备的热设计问题。并经过实物试验的验证，证实了该方法的可行性。

关键词：毫米波；相控阵天线；热设计

毫米波有源相控阵天线因具有质量轻、体积小、波束窄、波速扫描灵活、抗干扰能力强等特点，在航空航天通信、多目标跟踪、导航和弹载导引头等方面得到了广泛的应用[1-3]。

随着电子技术的不断发展，毫米波有源相控阵天线系统的集成度越来越高，天线内的热流密度相应的不断增加。根据相关文献记载，电子设备的失效有55%是由于温度超过电子器件的规定值引起的[4]。因此，为了保证天线可靠性，对天线进行细致的热设计非常重要。目前国内外公开研究成果中较少涉及毫米波相控阵天线热设计。

由于毫米波有源相控阵天线的硬件成本极高，如果采用传统的实物验证设计方式，会极大的增加研发成本。因此必须在产品设计阶段就进行系统热设计。毫米波有源相控阵天线是一个极其复杂的设备，单纯的根据经验公式很难得出合理的设计方案。热设计工程经验结合专业热仿真软件成为目前降低成本，缩短研发周期的有效手段。机载平台对天线的可靠性、体积质量及环境适应性等要求十分苛刻，因此热设计过程中还必须加入相应工程因素的评估，设计流程如图1所示。

图1　热设计流程

1某毫米波有源相控阵天线热设计方案

1.1问题描述

某机载有源相控阵天线是由阵面、T/R组件、波控和电源等模块组成。

天线最大热耗为300 W。天线发热集中于T/R组件的功放芯片，局部热流密度达到了20 W/cm2。

芯片指标要求环境温度35℃时，芯片安装面的最高温度不能超过105℃。同时由于芯片性能对温度变化比较敏感，芯片之间的最大温差不超过10℃。

1.2散热方式选择

目前，机载设备常用的散热方式有自然散热、强迫风冷、液冷冷板等方法。自然散热成本低，故障率低，但只适合热耗较小的设备。强迫风冷的设计方案是将发热器件或者模块固定到散热器上，热量以传导的方式传递到散热器上，冷风经过散热器时带走热量实现对流换热。液冷冷板一般是将冷却液流道设计在金属板内，通过冷却液带走器件的热量，散热效率极高。

机载天线的散热方案依据天线的性能和热耗、飞机平台要求、设备的体积质量限制、可靠性、维修性和环境适应性进行设计。其中T/R组件的功放芯片的许用温升和最高热流密度是选择的主要依据。

本项目的天线结构紧凑，而且局部热流密度偏高，根据热设计原则[5]的要求，选择液冷散热方案。

1.3冷却液流速估算

冷却液的流速是影响液冷散热的因素之一。通过工程经验估算冷却液的需求流速可以为后续的详细仿真分析提供参考和指导。

对于液冷系统来说，与空气的热传递可以忽略不计,热量主要是从冷却液带走。以冷却液为热力学系统，根据热力学第一定理开口系统能量方程式，可得

(1)

在工程上，航空小型设备的液冷进出口温差一般为3～5℃，为了留出热设计可靠性余量，暂取温差为3℃。冷却液为防冻液，在35℃时CP=3151 J/(kg·℃)，代入式(1)可得冷却液流量

(2)

2仿真分析和优化设计

2.1初始热设计方案

天线的85%的热耗是来自于T/R组件的功放芯片。芯片按二维矩阵方式排列在射频印制板上，形成一个大的组合矩阵。射频印制板安装在T/R组件的金属盒体上。

为了冷却芯片，确保天线的正常工作，T/R组件的功放芯片到液冷流道的热阻须尽可能的小。同时考虑该天线减少体积质量的需求，液冷板设计为结构功能一体化部件设计，液冷流道包含在T/R组件的盒体中，流道进出口安装自密封液冷插座，如图2所示。

图2　T/R组件外形模型图

电源等其余的发热模块分别安装在T/R组件下方。

由于机载平台对设备的体积质量等指标十分苛刻，天线初始方案首先按照小型化和轻量化原则设计，同时还要兼顾良好的加工性，所有模块的盒体选用铝合金加工。

T/R组件盒体总高度为17 mm。盒体正面加工有0.5 mm深的腔体，用以安装射频印制板；盒体反面加工有12.7 mm深的腔体，用以安装低频印制板；盒体中间的剩余的底板厚度为3.8 mm。由于中间底板厚度偏薄，而且还有安装插座的通孔，很难放置液流流道。故从盒体设计加工难度考虑，初始方案圆形液冷管道设计在T/R组件盒体四周侧壁内，如图3所示。

图3　T/R腔体剖视图

初始散热方案虽然采用了散热效率很高的液冷，但是也存在单个热源热流密度高、热源分布范围广、导热路径不良等不利因素。为了验证天线热设计方案的可行性，本项目采用了仿真计算。

本项目是流固耦合传热问题，同时求解连接方程、动量方程和能量方程。计算模型做如下处理：① 冻液的物理参数设置为常数；② 流体的流动是定常的；③ 发热器件为稳定热耗；④ 考虑重力影响；⑤ 模型采用有限容积法进行离散，选取标准的k-ε紊流模型；⑥ 芯片和印制板分别采用粘接和焊接固定，忽略连接处的接触热阻；⑦ 热仿真环境温度和供液温度均为35℃，供液流速按1.3节的计算结果0.031 7 kg/s。

仿真结果见图4和图5所示。可以看出功放芯片安装面最高温度为127.87℃，已经远远超出许用温度，而且芯片之间的最大温差达到了40℃，不能满足设计要求，必须改进散热方案。

图4　天线温度云图

图5　T/R组件温度云图

2.2设计改进

初始方案的热仿真结果只是T/R组件的功放芯片超出许用温度，而其他发热模块的壳温控制在60℃以下，还有较大的设计余量。因此优化设计主要针对T/R组件。

根据文献[6]中的理论，T/R组件的功放芯片到液冷介质的传热路径可以表示为热阻拓扑模型：芯片→印制板→盒体底板→盒体四周冷板→液冷介质。

对于模型内部任一细小单元，根据傅里叶定律和能量守恒定律，三维稳态热传导方程为

(3)

以下将结合工程方法对热传递路径的改进进行分析。

1)冷板热阻

本项目的液冷板(即T/R组件盒体四周侧壁)平均温度约为68℃，高出液冷介质约33℃，具有一定的优化余量。

液冷板可近似视为一个恒温壁，其换热系数取决于换热方程和能量守恒定律：

P=hAδtm

(4)

(5)

(6)

其中：H为对流换热系数；A为参与对流换热面积；ΔtM为对数平均温差；j为靠尔本数；G为单位面积的质量流量；Pr为普朗特数；TS为冷板平均温度。

根据式(4)～式(6)可知，热耗不变的情况下，增加换热面积和液冷流量可以降低冷板的平均温度。

由于本项目液冷板的体积空间有限，如果增加流道换热面积，就必须更改流道加工工艺，而新工艺需要增加整个设备长宽尺寸。因此降低液冷板温度主要针对增加流量进行分析。

将液冷流量增加到0.047 6 kg/s后，天线温度云图如图6所示，冷板平均温度下降到60℃以下，芯片最高温度降低不到10℃，而芯片之间的温差没有改善，仍然为40℃。

增加液冷流量可以降低冷板和液冷介质的热阻，从而降低冷板的温度，而且随着流量的显著增加，热阻虽然得到降低，但是效果并不显著。同理可以推导出增加换热面积也可以降低冷板温度，但是芯片之间的温差还是得不到明显改善。

因此单纯增加流量对本项目的改进意义不大，反而会增加流阻，降低液冷换热效率[7-8]，极大地增加装机平台散热系统负担，如非必要，不宜采用。

图6　增大流量后天线温度云图

2)盒体热阻

盒体传热属于固体热传导，但是多个热源有叠加效应，增加了热设计难度。

盒体底板中心到四周的温差约20℃，一方面是因为盒体底板较薄，热传导能力弱，另一方面也是由于多个芯片矩阵分布的叠加效应。底板四周到周边冷板的温差达到25℃，则是因为底板四周加工有16个插座安装通孔，减少了底板到冷板的传热路径，导致热阻增加。

根据式(3)可知，增加材料导热系数可降低热源温度。在工程上，常规的优化方法一般有增加导热路径，更换铜和使用新型高导热材料等。其中高导热材料是近年来研究的热门，有石墨烯、金刚石铜和热管等，可以在不增加质量甚至减重的前提下，提高散热能力。曹红[9]采用高导热的均温板材料解决了某毫米波功放组件的热设计。

对比几种材料的工艺性分析，热管的可装配性相对较高，而且安装热管后，对T/R组件其他器件的安装工艺影响较小。

根据盒体布局空间嵌装3根热管,热管从盒体底板中间延续到液冷流道上方，如图7所示。

计算结果见图8所示。加装热管方案受到模块体积和器件布局的限制，热管安装区域有限，因此芯片最高温度只下降到116℃，芯片之间的最大温差下降到25℃，仍然不能满足设计要求。

图7　热管方案

图8　热管方案温度云图

3)射频印制板的热阻

印制板是非金属基板和铜层的复合材料，水平方向和法向的导热系数相比金属都要低很多，而法向的厚度尺寸比水平方向的长宽尺寸要少很多，因此芯片的产生的热大多数是通过法向传导到金属盒体上，再向四周扩散。在这种情况下，印制板的导热问题可简化为一维导热方程。增加印制板的法向导热能力，可有效地降低芯片温度。

芯片安装面到盒体底板的温差达到25℃，说明射频印制板的法向热阻极高。初样方案射频印制板截面如图9所示，由于T/R组件的集成度高，布线困难，芯片的下方印制板中法向金属导热柱设计的数量偏少，而且印制板基材的导热系数极低，导致热阻偏高，经过实测，射频印制板法向导热系数仅为3 W/m·K，具有提高的空间。

射频印制板优化设计可通过增加铜层比例，优化印制板布板设计、增加法向金属导热柱等方法降低热阻，优化后印制板芯片安装区法向热导率为7 W/m·K。经过计算后，优化后的芯片安装码到盒体底板温差降低到约10℃。

图9　射频印制板截面

2.3改进方案

从上文分析和仿真结果来看，对于本项目这种高热流密度、热源集中、传热路径不良而且安装体积限制较大的设备来说，仅仅靠更换材料增加导热系数并不能满足热设计要求，还必须要考虑其他措施。

何倩鸿[10]提出一种分布矩阵法优化多芯片的二维布局，从而使冷板散热资源得到最大化利用，进而降低芯片温度。

本项目中芯片布局和天线电性能相关，不能随意更改。但根据相同的思路，也可通过优化液冷流道布局来适应芯片分布，使散热资源得到充分利用。

优化液冷流道，直接将液冷流道设计到芯片下方的盒体的底板中，根据芯片的分布布置液冷流道走向。一方面可以有效缩短芯片到液冷介质的热传递路径，从而大幅度降低热阻，另一方面也由于液冷板极高的散热效率，均温性好，进而降低芯片组的相对温差。

但流道布置在T/R组件盒体内部，一旦出现液体泄露，会导致芯片短路毁，因此需要提高液冷板的设计可靠性。

从工艺可靠性和平台环境试验的要求考虑，盒体需要按照以下要求进行改进设计：液冷流道从两个插座之间区域进入底板，该连接区域的宽度需要增加到13 mm，如图 10所示，防止流道加工缺陷，出现渗液、漏液；盒体中间底板厚度增加1.2 mm，确保流道的耐压性能满足飞机平台指标要求；液冷流道避开盒体内插座安装孔和螺纹孔等，尽量布置在整个芯片矩阵分布区域。

由于印制板的优化后芯片降温效果十分明显，所以和液冷流道布局优化一并采纳计算校核，热仿真结果如图11所示。

优化流道设计的方案，极大地降低了盒体热阻，在不增加流量的前提下，可以将芯片安装面的最高温度降低到73℃，芯片之间的温差控制在10℃以内，而且其他模块的壳温也不高于65℃。

图10　改进流道方案

图11　改进流道方案温度云图

整个设备的高度只增加了1.2 mm,印制板的布线设计也只付出了很少的代价，但是其热设计可靠性余量更高，甚至还可降低液冷流量需求，故采用该方案。

改进方案后加工了天线初样，设备顺利通过耐压、高低温、振动、冲击和高度试验，证明了天线方案的可行性。

3结论

针对机载毫米波有源相控阵天线热设计，提出了工程需求和专业热仿真软件结合的方法。通过对某天线的热设计方案进行了分析，计算结果表明对于相控阵天线这种多个热源分布范围广、单个热源热流密度高、热源温度一致性要求高、体积限制严格和严酷环境适应要求的电子设备，仅仅降低导热路径的热阻是不够的，而优化流道布局是解决该类设备热设计的有效方法，且付出的代价很小。仿真分析和天线实物的试验结果均表明，该方法合理可行，可为同类产品的热设计提供参考。

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[9]曹红.一体化军热板在某毫米波功率放大器热设计中的应用[J].机械与电子，2015(2)：38-40.

[10]何倩鸿，杨平，魏巍.二维多芯片组件的分布矩阵热设计[J].中国机械工程，2012(8)：897-900.

(责任编辑杨继森)

本文引用格式：何林涛.机载毫米波有源相控阵天线热设计研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):115-119.

Citation format:HE Lin-tao.Research of Thermal Design on an Airborne Millimeter-Wave Active Phased Array Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):115-119.

Research of Thermal Design on an Airborne Millimeter-Wave Active Phased Array Antenna

HE Lin-tao

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract:In order to solve the problem of thermal design on an airborne millimeter-wave active phased array antenna，this paper studied the method which combined engineering demand with thermal design software.The process of thermal design on antenna which was based on the proposed method was described.According to conclusions of the process,optimization of coolant passage layout solved the problem of thermal design on antenna efficiently.At last,the experimental result showed that the method is feasible.

Key words:millimeter-wave；phased array antenna；thermal design

doi:【信息科学与控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.028

收稿日期：2015-11-17；修回日期：2015-12-12

基金项目：国防基础科研计划资助项目(JCKY2013210B004)

作者简介：何林涛(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事航空电子设备结构设计研究。

中图分类号：TN305.94

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0115-05