毫米波有源相控陣天線熱設計

，，

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

毫米波有源相控陣天線(MMW-APAA)具有重量輕、體積小等特點，已經成為航空航天通信、導航和彈載導引頭等國防領域中主要武器的核心裝備之一[1-2]。

MMW-APAA內部按照一定規(guī)則排列多個T/R組件。T/R 組件的體積小、集成度高，內部熱流密度非常高。而電子器件的可靠性與其溫度緊密相關，美國空軍整體計劃分析報告，電子設備的失效有55%是由于溫度超過電子器件的規(guī)定值引起的[3]?！?0 ℃法則”也明確指出: 半導體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%[4-5]。因此，為了保證MMW-APAA可靠性及性能，必須對其進行細致的方案熱設計。

MMW-APAA的工作電磁波波長，決定了T/R 組件需要在幾毫米的寬度尺寸內需要放置電器功能件、結構和散熱功能件，空間十分緊湊。為了使MMW-APAA正常工作，目前工程上主要采取有強迫風冷、相變冷卻、液冷板冷卻和熱管傳熱等散熱方式。相較于其他散熱方式，液冷板冷卻方式結構緊湊、冷卻效率高，對于毫米波T/R 組件這種小型高熱流密度電子模塊的冷卻能起到很好的效果。因此，液冷板在高功率MMW-APAA中得到了更加廣泛的應用。

隨著計算機技術的發(fā)展，對電子設備進行熱仿真計算已經逐步成為評估設備散熱方案可行性、降低設計成本的主要手段之一。任恒等[6]對有源相控陣雷達T/R組件強迫液冷的散熱方式進行了仿真分析優(yōu)化，使T/R組件中功率管的殼溫滿足使用要求，其中功率管的熱流密度為103.1 W/cm2。陳世鋒[7]研究了應用強迫液冷散熱彈載雷達高熱流密度組件。目前，國內外公開相控陣天線熱設計研究成果集中在波長較長的低頻天線，較少涉及內部空間更緊湊的毫米波相控陣天線熱設計。

在此，通過對某大規(guī)模、高功率的毫米波有源相控陣天線的冷板流道進行熱設計，給出了發(fā)熱芯片的溫度分布情況，并通過數值分析初步推導冷板流道的布局設計參數，再進行仿真校核，縮短了熱設計過程。

1 問題描述

某MMW-APAA由陣面單元、T/R組件、波控單元和電源等模塊組成，長寬尺寸為200 mm×200 mm。天線外形如圖1所示。

圖1 天線外形

天線的T/R組件熱耗約1 728 W，單個芯片的熱流密度達到約100 W/cm2，而且芯片間距僅為幾毫米，熱源疊加效應十分明顯。指標要求芯片安裝面的最高溫度不能超過110 ℃；芯片性能對溫度變化比較敏感，要求芯片之間的最大溫差不超過15 ℃。

2 熱設計的初始方案

2.1 熱設計初方案

對于芯片熱流密度極高的相控陣天線，遠遠超過了強迫風冷的散熱能力。從國內外的研究現狀來看,類似設備采用液冷散熱，因此本項目T/R組件采用安裝在液冷板上進行散熱。冷板采用鋁合金加工。

平臺液冷系統(tǒng)冷卻介質為防凍液，最惡劣的條件下環(huán)境溫度為70 ℃，供液溫度為60 ℃，體積流量為5 L/min，要求T/R組件的冷板的流阻不超過3 bar。

由于熱環(huán)境惡劣，留給熱設計的溫度余量很少。因此冷板流道的位置設計在T/R組件芯片的下方，減少熱傳遞路徑的熱阻，從而降低芯片到流道的溫差。

因為冷板中間有多個電氣插座安裝孔槽，所以流道只能設置在孔槽之間的間隙處。而且由于毫米波天線內部空間尺寸很緊湊，導致單個流道的寬度未超過2 mm。

在流量不變的情況下，流道寬度越窄(即流道橫截面積越小)，冷卻介質的流速越快。冷卻介質流阻同流速是平方關系, 流速增加，導致流阻急劇增加。為降低平臺液冷系統(tǒng)的負擔，熱設計初方案在芯片下方的空間按照最大限度設計了13組支路流道，并采用并聯低流阻設計，液冷板進出口分別設置一個分、匯流道，如圖2所示。并聯流道可以有效地縮短冷卻介質的流程，降低流阻。

圖2 冷板并聯流道

2.2 熱仿真分析

本項目是流固耦合傳熱問題，同時求解連接方程、動量方程和能量方程。計算模型處理如下：

a.防凍液的物理參數為常數。

b.發(fā)熱器件為穩(wěn)定熱耗。

c.供液溫度均為60 ℃，流量為5 L/min。

d.考慮重力影響。

e.環(huán)境溫度為70 ℃，供液溫度為60 ℃，流量為5 L/min。

f.忽略螺釘孔及其他對傳熱影響不大的局部特征。

仿真結果:芯片安裝面最高溫度為132 ℃，已經遠遠超出許用溫度；13組流道流量分配不均勻，靠近液冷出口的支路流道內流量最大，對應的一路芯片溫度最低，約119 ℃，也超過了許用溫度；靠近分、匯流道的芯片溫度比中心低;芯片之間的最大溫差達到26 ℃；并聯流道的流阻很小，僅為0.15 bar。

3 熱設計優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

上一節(jié)并聯流道方案的散熱問題，不僅表現在于各支路流道流量分配不均導致芯片溫差較大，而且即使流量最大的流道對應的一路芯片溫度也超過了許用溫度，說明冷板的散熱能力必須優(yōu)化。

將熱耗等參數代入能量守恒定律(式1)可得，本項目冷卻介質平均溫升約6.5 ℃，滿足工程上介質溫升要求；從另一方面來說，增加平臺的供液總流量不但極大地增加系統(tǒng)負擔，也不能解決支路流道流量不均的問題。因此，降低芯片溫度需要從冷板優(yōu)化上著手。

(1)

對于液冷設備來說，熱輻射與空氣的熱傳遞可以忽略,熱量主要是從冷卻介質帶走。仿真模型中芯片到冷卻介質傳熱路徑可以簡化為熱阻拓撲模型：芯片→T/R盒體底板→冷板→液冷介質。在芯片到冷板的路徑不變的情況下，即傳熱路徑熱阻不變，降低芯片溫度需降低冷板溫度。

液冷板可簡化視為一個恒溫壁，其換熱系數取決于換熱方程[8]：

P=hAΔtm

(2)

h=JGCpPr-2/3

(3)

(4)

h為對流換熱系數；A為參與對流換熱面積；Δtm為冷板對數平均溫差；J為考爾本數；G為單位面積的質量流量；Pr為普朗特數；ts為冷板平均溫度。

從式(2)～式(4)可知，在熱耗不變的前提下，要降低冷板的平均溫度，需增加換熱系數或增大對流換熱面積。

由于天線的內部體積空間緊湊，增加支路流道的換熱面積幅度有限。因此優(yōu)化主要針對增加支路流道的換熱系數。增加支路流道換熱系數，可以通過增加支路流道流量和改變流道形狀實現。

3.2 優(yōu)化計算

3.2.1 增加流道流量

在總流量不變的情況下，流道改為串聯流道可以有效提高支路流道的流量，從而降低熱源的溫度。但串聯流道后會增加流道流阻，因此本課題冷板優(yōu)化的目標，就是通過串并聯組合流道的方式來提高單個支路流道的流量，在滿足芯片許用溫度的前提下，尋求流阻最低的流道最優(yōu)布局組合。

將串并聯組合方式優(yōu)化轉化為單個支路流道的流量需求求解。由于本項目天線單元規(guī)模龐大，單個芯片尺寸極小，因此仿真模型網格規(guī)模極大，計算時間很長。如果僅僅依靠仿真軟件對所有的流道布局方案進行計算，會導致設計周期大大增加。故先進行推導估算，再用仿真校核，以縮短計算時間。

將支路流道從液冷入口處依次編號，讀取仿真結果中支路流道對應芯片的最高溫度如表 1所示。1號支路流道靠近液冷入口，其流量僅為其余支路流量的7%左右，而其余支路的流量未出現量級上的差異。

表1 初方案支路流道流量與芯片溫度關系

受冷板可用空間所限，大部分的支路流道上方只有1排芯片組，而4，7和10號支路流道對應2排芯片組，流道的熱負荷相對最嚴苛。故這3路支路流道的流量即使與自身兩側支路流道的流量相差不大時，對應的芯片溫度也高于自身兩側流道對應的芯片溫度。

實際工況中，相控陣天線這種陣列的多熱源設備存在熱源疊加效應，4號支路流道受流量最小的1號流道高溫區(qū)的影響導致溫度增加，而10號支路流道則受13號流道低溫區(qū)的影響導致溫度有所降低。

綜上所述，以支路流道7為研究對象，推導最熱負荷最嚴苛的支路流道的需求流量。

假設4號支路流道在冷板布局優(yōu)化前后散熱的熱耗不變，流道進出口溫度不變，即

P前=P后

(5)

引入式(2)～式(4)可得：

(6)

tin=60 ℃,tout=66.5 ℃時，從初方案的仿真結果中測得流道冷板平均溫度ts前=93 ℃，計算可得ts后=93-(129-110)=74 ℃，代入式(6)計算可得，支路流道的流量需求約為V后=1.163 7 L/min。

在不考慮并聯支路流道的流量不均勻性時，并聯支路流道的并聯數量與流量關系如表2所示。

表2 流道并聯數量與流量關系

實際工況中，全并聯支路流道的入口介質溫度都約為60 ℃，而串聯流道到后段的時候，冷卻介質溫度已經升高，即末段支路流道的入口介質溫度已經高于液冷入口溫度60 ℃；而且并聯支路流道實際流量并不均勻，因此支路流道應增加相當的流量余量，故優(yōu)化方案采用3個支路流道并聯方案，理論上單個支路流道流量為1.67 L/min。

由于串聯流道方案會出現靠近液冷出口的冷卻介質溫度升高較多，導致最后一路流道的芯片溫度升高。為了降低芯片之間的溫差，故將最靠近液冷出口的13號支路流道作為匯流道，增大其換熱系數，由于冷板外側有多余空間，將13號支路流道拓寬，用以減小流阻，如圖3所示。

圖3 串并聯組合流道示意

仿真計算結果如圖4～圖6所示。芯片最高溫度為111 ℃,芯片溫度差約11 ℃；并聯的支路流道在并聯數量減少后，距離入口的位置跨度不大，流量分布相對均勻；流阻約1.2 bar,未超過最大流阻要求。

圖4 并聯3流道溫度云圖

圖5 并聯3流道流速

圖6 并聯3流道壓力

3.2.2 流道形狀優(yōu)化

上一節(jié)計算結果顯示，芯片溫度雖然還未滿足使用要求，但是差值已經很小，再減少并聯支路流道數量，可能導致流阻劇增?？赏ㄟ^對流道形狀進行優(yōu)化，進一步降低溫度。

由于支路流道為直線流道，支路流道中心介質的流速極快，未充分參與換熱?？赏ㄟ^改變流道的彎曲形狀以增大湍流，從而增加流道的換熱系數。

由于冷板內部的空間緊湊，流道難以進行較大的改變,故采用在流道中設置波紋形狀的方案，改變介質的流動方向，增加湍流，如圖7所示。

圖7 支路波紋流道局部圖

仿真計算結果如圖8～圖10所示。由于支路流道中設置的波紋形狀數量眾多，仿真計算結果顯示芯片最高溫度降低幅度較大為95 ℃；芯片最大溫差為13 ℃；流道湍流強度劇增，故同一段區(qū)域內流道內液體溫度一致性高，但流阻增加較多，達到1.7 bar。

綜合上述2種方案的某天線初樣試驗件，具有較大的溫度余量，實物順利的通過高低溫試驗，證明了冷板方案的可行性。

圖8 波紋流道溫度云圖

圖9 波紋流道流速

圖10 波紋流道壓力

4 結束語

通過對某大規(guī)模、高功率的毫米波有源相控陣天線的冷板進行了流道布局優(yōu)化，提出了理論估算和專業(yè)熱仿真軟件結合的方法，比起單純的依靠仿真求解，有效地減少了仿真時間，縮短了設計周期。結果表明，對于大規(guī)模高功率相控陣天線這種多個熱源點分布廣泛、體積限制嚴格、采用了多支路流道冷板的電子設備，優(yōu)化冷板流道布局和流道形狀是解決該類設備熱設計的有效方法之一。仿真分析和天線實物的試驗結果均表明，該方法合理可行，可為同類產品的熱設計提供參考。

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