考虑热环境下某数字阵列模块的结构设计与热设计

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(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

数字阵列模块(digital array module)是有源相控阵天线的主要模块之一，随着雷达功能需求和元器件技术的快速发展，其集成化和高热耗的特征也日益明显[1]，所以需要综合考虑模块的结构设计和热设计。数字阵列模块主要是由多个收发通道、数字收发板、时钟等电子元器件和盒体等部件组成的一种多功能集成模块[2]。由于天线阵面对数字阵列模块的高度方向要求高，为了减小模块的高度，对其内部的元器件采用了平面排布的方式。

电子设备在一定的环境条件下进行工作，不可避免会受到环境温度对其的影响，并且相关资料表明，高、低温及其循环会对大多数电子元器件产生严重影响，甚至会导致电子元器件的失效[3]。对电子设备进行热设计和分析，并进行相应的结构设计是提高电子设备可靠性的重要措施之一，也是为了保证电子设备有效和可靠的工作[4]。

在此，根据数字阵列模块的工作环境、电子元器件的分布、工作时间和模式等条件，对该模块进行结构设计和热设计，并进行迭代进而确定数值阵列模块的最终结构设计方案。

1 数字阵列模块设计

1.1 热耗分布与温度要求

进行结构设计和热设计前，首先需要确定数字阵列模块内部功率器件分布情况，如图1和图2所示的是模块内部数字板元器件热分布示意图。

图1 数字板元器件A面热分布

图2 数字板元器件B面热分布

根据图1和图2所示的元器件分布情况，进行相应的壳体设计，设计相应的凸台或凹槽，将元器件的热量通过热传导方式把元器件产生的热量传导到盒体上。根据相应元器件厂家提供的各个元器件的热耗和工作温度要求，得出该数字板总的热耗为80.7 W，具体参数如表1所示。

表1 数字板功率器件热耗参数

1.2 热设计和结构设计

将元器件的热量通过凸台等结构传导到盒体上，整个数字阵列模块工作温度能否满足要求只取决于模块盒体的热量是否能及时散热。综合考虑器件的布局、模块安装方式和风道布局等因素，对数字阵列模块进行热设计。设计方案是在安装面上加装散热翅片，采用风冷的冷却方式进行散热，具体方案如下所述。

a.风机选型。

(1)

通过式(1)进行计算，需要通风量大约310 m3/h，因此，采用2个中频轴流风机113FZJ60符合单个单机散热需求。

b.冷板设计。冷板具有机械支撑和对流换热的双重作用，要求结构表面传热系数高，均温性好等特点[5]。根据安装尺寸和散热需求，对冷板的翅片厚度、间距、高度等结构参数进行了优化设计。散热翅片的翅厚为2 mm，翅间距为8 mm，翅高为20 mm，总高度为23 mm。

c.风机安装位置。由于空间限制，采用风机风向与风道垂直安装。

d.板卡上凸台与热耗器件之间铺导热衬垫，冷板与DAM和二次电源的接触面涂导热硅脂，保持良好热接触。

根据上述要求，各模块的结构如图3～图5所示。

图3 冷板

图4 垫块

图5 数字阵列模块结构

2 热仿真分析

根据前一节所确定的设计模型作为热仿真分析模型，如图6所示。由于数字阵列模块要在地面测试以及跟随平台在高空中进行工作，工作环境条件是不相同的，所以对其进行热仿真分2种工况进行分析。数字板的功率元器件采用一级降额设计，降额温度要求如表2所示。

图6 热仿真模型表2 数字板功率器件温度要求

℃

2.1 地面环境

数字阵列模块在某地夏天地面相对密闭环境下进行电性能测试，空气温度为40 ℃，仿真结果如图7和图8所示。

图7 收发通道温度分布

图8 数字板功率器件温度分布

图7给出了收发通道温度分布，可以看出收发通道功率器件温度最高为52.7 ℃，满足不高于65 ℃的指标要求。

图8给出了数字板功率器件温度分布，表2给出了各热耗器件的最高壳温，可以看出，数字板全部功率器件均满足要求。

2.2 高空环境

数字阵列模块工作在6 000 m高空环境，空气温度为0 ℃，密度比为0.54。仿真结果如图9和图10所示。

图9 收发通道温度分布

图10 数字板功率器件温度分布

由图9和图10可知，可见最高温度为46.7 ℃，全部功率器件均满足要求。

3 结束语

针对某数字阵列模块在地面和高空环境下散热问题，进行了结构设计和热设计，并做了相应的热分析。分析表明，所提出的结构设计和热设计满足数字阵列模块的工作要求，对下一步产品批量化设计和生产具有重要的指导意义。

[1] 张根烜，王璐，张先锋，等.DAM两相闭式热虹吸回路冷却系统实验研究[J].制冷学报，2016，37(1):90-94.

[2] 程伶俐. 某米波雷达数字阵列模块结构设计[J]. 机械与电子，2013(1):76-78.

[3] 张润逵，戚仁欣，张树雄，等. 雷达结构与工艺[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

[4] 侯增祺，胡金刚. 航天器热控制技术：原理及其应用[M]. 北京：中国科学技术出版社，2007.

[5] 唐宝富，钟剑锋，顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2016.