某雷达天线电源热设计及仿真分析

刘淑振 胡玲珊 赵 文 杨徐路 罗序荣

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

随着电子技术的发展，越来越多的多功能、高密度封装、高速运转以及体积小等特点的器件被应用于电子设备。电子设备的相应功率和热流密度随之增大，产生了更多的热量。将产生的热量散出去，才能够保证电子设备可靠、稳定工作。现代的军用电子设备对可靠性的要求越来越高，因而热设计成为器件、设备和系统可靠性的一项重要内容。雷达天线电源是相控阵雷达的重要组成部分，天线电源模块功率大、热耗高且热源集中，因此热设计雷达电源是一项非常重要的工作。

1 冷却方式的选择

目前，电子设备主要使用的冷却方法有自然冷却、强迫风冷和强迫液冷等。在一些热流密度不太高、温升要求也不高的情况下，通常应用自然冷却方法。这种处理方式的优点是散热器生产成本低且结构可靠性高。因此，在考虑冷却方法时，应优先考虑自然冷却方法[1-3]。

随着有源相控阵雷达的发展和雷达阵面内的安装密度与功率密度的不断提高，采用自然冷却已不能满足要求。在一些热流密度较大、温升要求较高的设备中，多采用强迫风冷。雷达电子设备风冷的基本模式是将高功耗元器件的热量传递至底板上的散热器，然后通过空气对流带走热量[4]。

单个热源发热密度高且阵面内的空间有很大限制时，通常采用液冷系统。液体的导热系数和比热容均比空气大，因而可以减小各有关换热环节的热阻，提高冷却效率。此外，液冷具有热负载均匀、温度梯度小和结构紧凑的特点。电子设备热设计目标是以最小的代价寻找一条热传递的通道，即在发热元器件和热沉之间寻找低热阻的通道，保证热量顺利传递出去，确保元器件的结温低于允许值[5]。

在选择冷却方式时，要先确定电源模块的热流密度，再根据热流密度的大小和温升的要求选择冷却方式。某雷达天线电源模块热功耗为220 W，散热面积为154 cm2，则电源模块的的单位面积热流密度为：

式中：ϕ为单位面积热流密度；Φ为设备总热功耗；A为空间中实际有效参与散热的面积。代入数值，计算可得ϕ≈1.43 W·cm-2。

热流密度与散热方式对应关系见图1。根据散热环境控制要求，天线阵面环境温度为45 ℃。为保证电源模块的可靠性，要求电源模块表面温度不大于65 ℃，因此温升按小于10 ℃选取。

某雷达天线电源模块热流密度大、热量集中且散热量大，由图1可知，适宜采用强迫液冷的散热方案。

图1 热流密度与冷却方式选择

2 冷板结构设计

2.1 天线电源整体结构设计

天线电源由4个电源模块组成，每个电源模块主要分布有4个热源，每个热源与冷板的接触面积为77 cm2。根据减重要求和安装空间限制，每个电源模块均使用一块冷板散热。为了提高散热效率，将电源模块的4个热源分布在冷板两侧，如图2所示。

图2 冷板及热源分布示意图

冷板起到机械支撑和换热的双重作用，形成了天线电源的框架式结构。4组电源模块的冷板采用并联方式连接，每个冷板内部通过U型管路与液流分配合成器组成并联结构，如图3所示。

图3 天线电源结构示意图

3 仿真分析

考虑到冷板结构设计的精度和计算量，对三维模型进行了一定的简化。去除不影响结构的倒角和小安装孔等细小特征以及接插件，通过设计计算确定天线电源冷板的结构形式、流道通径等参数，在三维建模的基础上建立了有限元模型，如图4所示。

图4 冷板的简化后有限元模型

冷却液进口温度为45 ℃，将热源负载加在冷板上，求解天线电源冷板和天线电源整体的温度场分布，分别如图5和图6所示。

图5 天线电源冷板温度场分布

图6 天线电源整体温度场分布

图5（a）与图5（b）的仿真结果表明，电源冷板最高温度为55.978 ℃，其中冷却液温升为1.4 ℃，与计算结果56.11 ℃基本一致。由图6（a）与图6（b）可知，天线电源最高温度为56.132 ℃，其中冷却液温升为1.5 ℃。

4 结语

针对某型号雷达天线电源的散热要求进行设计、计算和仿真，数据一致性较好。该设计方案已经在某型号有源相控阵天线中应用，能够为电子设备提供适宜的工作温度环境，解决了某有源相控阵雷达天线散热问题，保障了天线系统的稳定工作。