某有源相控陣雷達陣面散熱設計研究

李寶洋

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710068）

眾所周知，TR組件是有源相控陣雷達的關鍵部件，它是連接前端天線模塊與后端射頻處理模塊的媒介，其功能是對射頻信號的放大、移相、衰減等。在實現(xiàn)該功能的過程中，受制于芯片材料與工藝限制，其效率只有20%左右，甚至更低，其余80%的能量以熱量的形式表現(xiàn)出來。傳統(tǒng)磚塊式TR組件由于體積較大，其與散熱媒介之間的接觸面積較大，組件之間空間較大，大部分能夠滿足散熱需求。但是，本文研究的相控陣雷達使用的是體積小、集成度高的瓦片式TR組件，其俯仰與水平兩個方向上的單元間距均小于15mm，故對散熱提出嚴苛的要求。本文主要研究一種瓦片式TR組件陣面的散熱方法，解決散熱與大功率、小體積之間的矛盾。

1 有源相控陣雷達陣面散熱概述

目前，有源相控陣雷達設備從散熱角度可以分為前端發(fā)熱設備、中間傳導媒介設備和末端冷卻裝置三大部分。前端發(fā)熱設備主要有TR組件模塊、變頻模塊、電源模塊等；中間傳導媒介設備主要有熱管、均熱板、液冷冷板、風冷管路等；末端制冷設備主要有換熱器、齒片、風機或泵等。其工作原理如圖1所示。前端發(fā)熱設備發(fā)熱量為ΔQ，通過傳導媒介設備將熱量導出至換熱器，其間接觸熱阻為Q熱阻，通過風機或者泵完成熱量的交換，最終將熱量釋放到環(huán)境中，達到散熱的目的。

圖1 散熱原理

2 某有源相控陣雷達陣面散熱設計

2.1 相關背景與散熱條件

某型雷達陣面由子陣拼接而成，子陣可以在俯仰和方位兩維空間內(nèi)擴展，以滿足不同頻段雷達指標要求。子陣由天線單元、TR組件單元、變頻模塊單元組成，其簡易模型如圖2所示。其采用了瓦片式TR組件的設計方案，導致子陣與子陣之間間隙很小，散熱裝置只能貼附在子陣背面。

子陣發(fā)熱功率約為60W，其中50W主要集中在TR組件上。一個陣面由72個子陣拼接而成，發(fā)熱量共4320W。供電電源熱量約為512W，其均勻分布在子陣周圍?？偀崃亢嫌嫿咏?000W。整個雷達陣面要求投影面積不超過1.4m2，這給散熱設備預留的空間較小。TR組件允許最高殼溫不超過85℃，并且組件殼溫溫度一致性控制在7℃以內(nèi)。環(huán)境溫度48℃，太陽輻射1110W/m2。

圖2 子陣簡易模型

2.2 散熱結(jié)構(gòu)原理設計

為了解決上述問題，設計一種均熱板配合風冷設備的散熱裝置，其示意圖如圖3所示。將均熱板貼附于子陣TR組件背面，利用均熱板平面方向上的高導熱能力將子陣組件殼溫溫差降低。強迫風冷風道貼附于均熱板背面，通過風道內(nèi)的齒片和風道兩端的風機將導入均熱板內(nèi)的熱量帶出整機設備。

圖3 散熱結(jié)構(gòu)原理

2.3 散熱結(jié)構(gòu)設計

由于子陣形狀和主要發(fā)熱器件分布的特殊性原因，均熱板不能是一整張或幾大塊整板的組合，而是長條狀的多根平板，其寬度約為80mm，長度約為500mm，厚度約為10mm。

強迫風冷通道貼附于均熱板背面，由于空間限制，通道高度小于65mm，長度、寬度與均熱板相同。為了增加冷空氣與通道的接觸面積，通道內(nèi)設計排列散熱齒，齒片壁厚1mm，間距2mm。10個子陣以2×5的方式排列、其背面安裝均熱板和強迫風冷通道的示意模型如圖4所示。

圖4 子陣與均熱板的散熱模型

3 某有源相控陣雷達陣面散熱數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

為了方便研究，以10個子陣的模型作為研究對象。10個子陣以2×5的方式排列。其散熱有限元模型如圖5所示。子陣中天線是鋁制實體，有限元分析時不需簡化。TR組件和變頻數(shù)字模塊均為鋁制盒體，內(nèi)部有發(fā)熱芯片，有限元分析時需要將印制板等不發(fā)熱器件省略掉，只保留主要發(fā)熱芯片的位置和大小參數(shù)。均熱板為鋁制平板焊接而成，其內(nèi)部為空腔毛細結(jié)構(gòu)，充入液體導熱工質(zhì)，有限元分析時結(jié)構(gòu)物性參數(shù)以鋁為基礎，修改平面方向上的導熱參數(shù)為實際均熱板導熱參數(shù)即可（該參數(shù)遠大于鋁本身的導熱參數(shù)）。強迫風冷風道由精密鑄造或焊接配合機加加工而成，有限元分析時不需要簡化。

圖5 散熱有限元模型

3.2 均熱板導熱能力與組件均溫性之間的關系研究

首先研究均熱板對子陣中組件殼溫溫度一致性的影響。仿真參數(shù)設定如下：強迫風冷入口空氣溫度48℃保持不變；環(huán)境溫度48℃保持不變；空氣流速2m/s；風道截面積小于65mm×80mm，可利用空間小，只能選擇較小的風機，故壓力不能太大，以往經(jīng)驗估計風壓在100～200Pa；均熱板平面方向?qū)嵯禂?shù)在1500～3000W/（m·℃）。

在理論范圍內(nèi)改變均熱板平面兩個方向上的導熱系數(shù)，得到均熱板與溫度之間的關系如表1所示。

表1 均熱板導熱系數(shù)與溫度關系

圖6 子陣2×5排列風冷溫度云圖

由表1和圖6可以看出，隨著均熱板導熱系數(shù)的增加，整體模型的最高溫度略有下降，組件的溫差由11.88℃將低到8.85℃，冷卻風溫升略有降低。這說明在風量一定時均熱板自身的導熱能力增加不能大幅度降低組件溫度，但是可以有效改善組件溫度的一致性。

3.3 太陽輻射對組件溫度影響研究

國家軍用標準要求，雷達整機在太陽輻射強度為1110W/m2時能正常工作。將太陽輻射通過下述方法轉(zhuǎn)化成熱量，加載在子陣模型上。

一個子陣的投影面積S=a×b=120×100=12000mm2=0.012m2，按照兩面計算就是2S=0.024m2，每個子陣受到的輻射熱量Q=2S×1110W/m2=26.64W。

將該部分熱量直接加載在子陣模型上，得到溫度云圖、太陽輻射與溫度關系，分別如圖7、表2所示。

圖7 增加太陽輻射后的子陣溫度云圖

表2 增加太陽輻射后子陣溫度關系

由表2和圖7可以看出，加入太陽輻射后組件的最高溫度、組件溫差、冷卻風溫升都有大幅度增加。雖然組件最高溫度仍在85℃以下，但是組件溫差過大，需要使用導熱能力更好的均熱板，同時小幅度加大進風量，才能消除太陽輻射帶來的影響。

3.4 整機陣面散熱研究分析

將上述研究結(jié)論引入整機陣面中，對整機陣面進行研究分析，輸入條件為：冷卻風溫度48℃（國軍標要求）；入口風速2m/s；每個子陣功率60W；每個子陣受太陽輻射熱量26.64W；環(huán)境溫度48℃。

圖8 陣面溫度云圖

經(jīng)過研究分析得到的陣面溫度云圖如圖8所示。其中陣面最高溫度約80℃，子陣組件溫差約9℃。陣面組件溫度一致性還需要繼續(xù)優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文首先對相控陣雷達散熱進行概述，然后以某型雷達陣面為例，對10個子陣2×5的排列方式進行散熱研究分析，設計一種利用均熱板和強迫風冷相結(jié)合的散熱方案，最終將該方案應用在整機陣面中。研究表明，在風量一定時，均熱板自身的導熱能力增加不能大幅度降低組件溫度，但是可以有效改善組件溫度的一致性；太陽輻射能夠大幅度影響組件溫升，是設計時必須考慮的重要因素，但是在整機陣面溫度的一致性問題上還有可以繼續(xù)優(yōu)化的空間。

[1]徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]翁中杰.傳熱學[M].上海：上海交通大學出版社，1987.

[3]毛希瀾.換熱器設計[M].上海：上海科學技術出版社，1988.