相控阵天线散热结构的试验数据分析与研究

2022-01-15王业文吴文友刘绍武

航天制造技术 2021年6期

王业文吴文友刘绍武崔智张帅

相控阵天线散热结构的试验数据分析与研究

王业文吴文友刘绍武崔智张帅

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

描述一种可扩展相控阵天线阵面的散热结构组成，对其采用的多级串联液冷散热方式进行详细论述，建立该种散热方式的数学模型。利用热试验的测试数据论证并求解数学模型。根据数学模型分析天线阵面的散热性能，同时分析了该类型散热方式的各影响因素，得出阵面扩展时温度场变化值进行量化的方法，可实现阵面扩展时散热性能的快速评估。

相控阵天线；子阵；液冷散热；试验数据分析

1 引言

现代雷达中，有源相控阵雷达具有探测威力大、抗干扰能力强、可靠性高、可维护性强等诸多优点。随着微波技术的不断发展，相控阵雷达天线阵面的发热组件的高密度封装使发热组件的热流密度迅速提高,因此必须对天线阵面进行有效的热设计和热控制，以保证天线阵面的可靠性和使用寿命[1]。随着相控阵雷达的发展，未来的天线阵面尺寸将会变得更大，结构更紧凑，阵面结构布局的复杂度也越来越高。现代雷达越来越重视可扩展性和高度模块化，改变子阵的不同排序方式，可以扩展成满足不同需求的大阵[2]。

在天线阵面研制阶段，先期通过仿真的方法确定设计方案，然后通过制作试验样机，进行热试验论证产品天线阵面的散热性能。由于试验样机与最终的阵面结构存在区别，须对处理分析试验数据，然后建立可靠的数学模型，推算出整个阵面的散热情况[3]。

本文介绍一种有源相控阵雷达天线阵面的串联散热结构和热试验数据处理方法，验证该天线阵面的散热能力。根据天线阵面结构特点以及其传热学特性,建立了数学模型，通过试验测出的数据对数学模型校正求解，表明建立的模型和求解方法正确有效。因此,本文建立的天线阵面结构传热数学模型可为该类散热结构的设计提供依据,并能为该类天线阵面的设计优化提供手段。

2 天线阵面散热结构

天线阵面采用子阵结构，如图1所示。天线子阵和天线单元分别固定在液冷板两侧，通过盲插射频连接器连接。组件子阵由3块干冷板组件装配而成，包含发热组件、激励器、电源、功分网络等。液冷板内的冷却液沿长度方向单向流动，干冷板不通冷却液。该设计使阵面结构模块化，简化了阵面的整体装配、维修，并且电气元件均安装在组件子阵上使电液分离，提高了系统的可靠性和安全性。

图1 阵面结构图

工程实际中一般对若干关键位置的温度，采用类似于传热学中的集中参数法[4]分析，即把散热过程等效成若干关键位置的热量传递。散热结构如图2所示，其中热量的传递可近似地分为以下几个过程，每个过程设等效温差和等效热阻：

a. 热量由发热组件（位置1）传递到与干冷板上的接触面（位置2），等效热阻为1；

b. 热量在干冷板内部传导，由与发热组件的接触面（位置2）到与液冷板的接触面（位置3），等效热阻为2；

c. 热量由干冷板（位置3）传递到液冷板（位置4），等效热阻为3；

d. 热量由液冷板（位置4）传递给冷却液，等效热阻为4。

图2 散热结构模型图

每个干冷板上的发热组件热量传导具有以下特点：均沿位置1至位置4传导，其传导路径相同；各个干冷板上的发热组件热耗相同；各个干冷板结构形式完全相同；干冷板之间距离相等。因此可作以下假设：

根据以上假设可建立位置1到位置4的热量传递路径如图3所示，按照图3建立的温度方程如下：

式中：——相邻干冷板同位置温差；——位置i的温度系数。

3 试验阵面

图4 试验阵面结构图

通过试验的方法验证式（1）的温度数学模型。试验阵面结构由4个子阵组成，共12块干冷板，如图4所示。实验时，整个试验阵面外表面覆盖保温材料，减少外界环境对试验的影响，用模拟热源代替实际中的发热组件，通过控制发热组件输入端的电压调整发热功率。模拟热源由热源组合件（包括加热片、隔热压块、导热块和热电偶）和稳压电源组成。加热片采用热电阻方式，其热量通过导热块传递到冷板，以达到模拟热源对干冷板加热的功能，加热片功率可通过调节电源输出功率实现。将热源组合件固定在干冷板上。稳压电源向加热片提供稳定的电流，使加热片能实现完全模拟热源的要求。

在图3所述的各位置附近，每个干冷板选取相同位置做为测试点，试验阵面中对应的测点位置如图5所示。通过红外热成像仪结合热电偶校正测得各测试点温度，热成像仪拍不到的位置粘贴了热电偶，测点位置涂成黑色，统一发射率，提高热成像仪的准确率。

图5 试验阵面测点位置图

4 试验数据分析

试验时的环境环境参数如表1所示。

表1 试验环境参数

图6 子阵1的热成像仪温度显示

图7 子阵2的热成像仪温度显示

图8 子阵3的热成像仪温度显示

图9 子阵4的热成像仪温度显示

冷却液定性温度取进液温度与出液温度平均值23.6℃，对应冷却液比热为4200J/kg·℃，密度为1000kg/m3。热成像仪采集到的数据如图6～图9所示。

分析热成像仪以及热电偶采集到的数据，整理成折线图，如图10所示。

图10 各测试点温度曲线

分析图10所示数据，干冷板4至干冷板9的各位置温度基本呈线性变化。这是由于液冷板进出口的位置，流体流阻较大，与液冷板的换热系数较高，同时试验件两端有进液管路和电缆，没法做到完全保温，环境热辐射也造成影响，所以温度会偏低；而在液冷板中间段流体状态稳定，与液冷板的换热情况相同，因此测试温度呈线性变化。综上所述可认为在相邻干冷板的同一位置温差相同，符合式（1）所示的数学模型。对图10所示的干冷板4#至干冷板9#各点数据进行最小二乘线性拟合，如图11所示。

图11 各位置测试数据的拟合曲线

式（1）的数学模型描述了各干冷板各个关键位置的温度变化趋势，为进一步研究提供了参考模型。

12个子阵对应有36块干冷板，则最高温度第36块干冷的位置1，计算得：

阵面扩展计算时，忽略了冷板与冷却液换热系数的变化（即图3中4的变化），以及冷却液定性温度的变化[5]。4的变化取决于冷却液工质物性参数及其流速，在同一类型的相控阵天线中，一般采用相同冷却液工质，流速也会控制在同一个范围[6]，所以4的变化很小。同时冷却液进液温度变化也在一个很小的范围，所以定性温度的变化对冷却液比热和密度影响比较小，因此通过式（4）推导出来的扩展后阵面的温度场接近正确值。

5 结束语

通过增加扩大试验阵面的规模可以提高温度测量及散热模型的精度。对相控阵天线阵面发热组件散热路径的分析可以建立起串联的散热模型，并根据散热模型建立线性数学方程。利用试验测试得到的各关键位置温度验证数学方程，同时求得数学方程的各参数值。求得的数学方程描述了阵面结构的散热特性，各个环节的热阻得到体现。通过上述分析可以得出决定阵面散热性能的关键因素，同时提供了一种阵面扩展后散热性能评估的方法。

1 刘淑振，胡玲珊，程龙宝，等. 某宽带雷达数字阵列模块的热设计及仿真分析[J]. 航天制造技术 2021(4)：35～39

2 张金彪，王蓬. 型号产品热测试及散热改进[J]. 信息通信 2017(7)：275～276

3 Lu TianJian. Thermal management of high power electronics with phase change cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, 43(2000): 2245～2256

4 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 高等教育出版社，2006

5 顾林卫. 电子系统的热仿真及热测试研究[J]. 现代雷达，2011(3)：78～80

6 黄敏. 热工与流体力学基础[M]. 机械工业出版社，2003

Research on Data Analysis of Cooling Structure on Phased Array Antennas

Wang Yewen Wu Wenyou Liu Shaowu Cui Zhi Zhang Shuai

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

This paper sketches a thermal structure of an array antenna, and discusses the ways of multistage liquid cooling. A mathematical model of heat dissipation is build, which is solved and improved through the heating experiment data. Based on the mathematical model, the performance of the heat dissipation of the array aperture is analysed, and the influence factors of the heat dissipation are analysed at the same time. The quantification method of temperature field variation during the expansion of the antennas can be used for rapid assenssment of the heat dissipation performance.

phased array antennas；submatrix；liquid cooling；data analysis