Ka相控陣天線模塊熱設(shè)計研究

羅曉宇，楊則南，郝文倩，鄒 磊

(中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所，陜西 西安 710065)

為滿足雷達(dá)系統(tǒng)超大規(guī)模、高功率、高性能負(fù)載比、多平臺等要求，有源相控陣向著高效率、高集成、低能耗、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展。由于相控陣天線的高度集成，其天線陣面上分布著成百上千個T/R組件，造成天線內(nèi)部的熱流密度不斷增加，若產(chǎn)生的熱量不能及時排出，將導(dǎo)致T/R組件的性能下降甚至失效，從而直接影響天線系統(tǒng)的可靠性及電性能指標(biāo)[1-4]。合理有效的散熱技術(shù)是實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵問題，同時還要兼顧設(shè)備的體積和重量指標(biāo)。目前國內(nèi)外公開研究成果中較少涉及ka波段的相控陣天線熱設(shè)計。本研究通過模塊化設(shè)計思想，研制出收發(fā)分置的相控陣天線模塊，針對天線模塊的散熱進(jìn)行了研究設(shè)計，為后續(xù)大規(guī)模的使用天線模塊積累技術(shù)基礎(chǔ)。

1 相控陣天線模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 相控陣天線系統(tǒng)組成

Ka波段有源相控陣?yán)走_(dá)的天線結(jié)構(gòu)包括天線陣子、T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、冷卻系統(tǒng)及殼體等，天線采用互聯(lián)拼接高度集成化一體設(shè)計，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

本研究采用模塊化設(shè)計方案，收發(fā)天線模塊分離，均是8×8陣列。這種方法降低了加工難度，便于與載體的共形設(shè)計，后期組合使用方便。

1.2 散熱方式選擇

目前，電子設(shè)備常用的散熱方式有自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、冷板液冷等方法。自然散熱成本低，故障率低，但只適合熱耗較小的設(shè)備。強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計方案是將發(fā)熱器件或者模塊固定到散熱器上，熱量以傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱器上，冷風(fēng)經(jīng)過散熱器時帶走熱量實現(xiàn)對流換熱。冷板液冷一般是將冷卻液流道設(shè)計在金屬板內(nèi)，通過冷卻液帶走器件的熱量，散熱效率極高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]。天線的散熱方式取決于天線的熱損耗功率、集中程度、體積質(zhì)量、維修性及可靠性。其中T/R組件功放芯片的工作溫升及最高熱流密度是相控陣天線選擇的主要依據(jù)[6]。本研究中每個T/R組件有8個通道，每個通道功率為1.33 W，單片T/R組件功率為8×1.33=10.33 W，整個模塊總功率約為85.33 W，功放效率為15%，冷板面積約為4 cm×4 cm的方板，故總熱功率P為72.49 W。

圖1 相控陣天線系統(tǒng)示意圖

(1)

A=P/S=72.49/16=4.53 W/cm3

(2)

對于雷達(dá)空間足夠并且單個熱源發(fā)熱密度不高的情況下，風(fēng)冷以其無滲透等優(yōu)點有明顯優(yōu)勢，但對于單個熱源發(fā)熱密度較高并且空間有很大限制時，液冷系統(tǒng)就表現(xiàn)出了優(yōu)勢[7-10]。液體冷卻方式適用于表面功率密度為0.3～160 W/cm2的元器件冷卻[11]。本天線結(jié)構(gòu)高度集中，局部熱流密度偏高，根據(jù)熱設(shè)計原則[12]，結(jié)合現(xiàn)有工藝技術(shù)，選擇了液冷散熱方式。

1.3 熱設(shè)計方案

有源相控陣天線熱設(shè)計過程中，必須考慮兩個指標(biāo)：一是控制T/R組件表面的最高溫度；二是保證陣面所有T/R組件的溫差，從而避免T/R組件性能下降甚至大面積故障失效的情況出現(xiàn)[13-14]。天線的熱耗主要來自于T/R組件的功放芯片部位。芯片將熱量傳到T/R組件外殼上，由于相控陣天線的高集成度，T/R組件最大允許工作溫度和組件工作時溫度一致性要求成了一大難題。為此，采取的措施是在天線T/R 組件周圍加冷板將熱量傳導(dǎo)到冷板上，通過外加液冷裝置進(jìn)行散熱冷卻。

如圖2所示是一塊天線陣列單元。 (1)減少天線體積、質(zhì)量的要求；(2)模塊化接口連接；(3)減少熱對電氣性能的影響。在T/R組件與天線線陣底座安裝界面涂上導(dǎo)熱硅脂，根據(jù)熱量從高往低走的原則，T/R組件產(chǎn)生的熱量傳遞到陣列天線上，若溫度過高，將會引起陣列天線隔板極化器熱變形，從而影響天線的電氣性能。基于以上三點考慮，將天線陣列的底板作為冷板，冷板上有液流通道，流動的冷卻液將T/R組件產(chǎn)生的熱量帶走，并且很好的隔離了熱對前端陣列天線的影響。此冷板同時又是天線骨架的重要組成部分，須具有足夠的強(qiáng)度和精度。

圖2 天線單元線陣示意圖

圖3所示為冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部走線圖。天線陣面的冷卻系統(tǒng)為冷板液冷散熱，主要為T/R組件提供散熱功能。由于液冷通道分布在天線殼體內(nèi)部，為了防止出現(xiàn)液體泄露導(dǎo)致T/R組件損壞，在天線結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計中要考慮到冷板的密封性能。在此，先不裝天線前段陣子及后端T/R組件，只將天線的液冷通道單獨安裝進(jìn)行大氣壓實驗，確保液冷通道的密閉性后，再重新進(jìn)行整個天線的安裝。另外，T/R組件的單獨插拔保證了天線的可維修性。

圖3 天線冷卻系統(tǒng)示意圖

2 熱仿真分析

2.1 單片T/R組件結(jié)構(gòu)及熱分析

T/R組件的最大允許工作溫度為70 ℃，天線工作時，T/R組件之間的溫度一致性要求≤10%，T/R組件工作環(huán)境溫度為-40～70 ℃[15-16]。T/R組件的功放芯片單元排列在射頻印制板上，射頻印制板安裝在T/R組件的金屬盒體上，其他器件因發(fā)熱量極小做絕熱處理，簡化后的模型如圖4所示。

圖4 T/R組件結(jié)構(gòu)圖

自然冷卻是采用常規(guī)空氣對流的方法直接對相控陣天線T/R組件進(jìn)行冷卻，冷卻結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，T/R組件最低溫度約為65 ℃，最高溫度可達(dá)140 ℃以上，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出許用溫度，功率放大器燒毀的的可能性很大，因此必須采取有效的冷卻方法以保證T/R組件的正常工作。

圖5 自然冷卻單片T/R組件溫度云圖

2.2 天線單元結(jié)構(gòu)及熱分析

自然冷卻狀態(tài)下單片天線單元及T/R組件的溫度云圖如圖6所示。功放芯片將熱量傳遞到T/R組件外殼，T/R組件外殼再將熱量傳遞到前端的天線，導(dǎo)致整個天線單元表面的最高溫度達(dá)到了75 ℃，這將直接影響天線的電性能。

給天線單元加液冷，液冷流道嵌入在天線底板里，流動的液體將T/R組件產(chǎn)生的熱量帶走，隔離了T/R組件與天線陣列之間的熱量傳輸，減少了天線的電性能受溫升的影響。在實際測試中，環(huán)境溫度為26 ℃，用絕熱材料將天線單元四周隔離，T/R

圖6 自然冷卻天線單元溫度云圖

組件表面貼溫度傳感器探頭。T/R組件工作的同時給冷板通冷液，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)時T/R組件表面溫度約為36.8 ℃。

通過仿真可得，加冷板液冷后，天線單元的表面溫度快速下降至40 ℃以下，如圖7所示，與實際測試結(jié)果一致。

圖7 加液冷后天線單元溫度云圖

2.3 Ka相控陣天線模塊熱分析及實物

本研究最終研制出的天線模塊是一個8×8即64路的方陣，8個T/R組件共64只功率放大器。在冷板液冷的散熱方式下天線模塊的仿真溫度云圖如圖8所示。在典型工況下，冷卻液入口溫度為20 ℃，流量為300 L/h。

圖8 天線模塊溫度云圖

仿真時在每片T/R組件表面中心位置設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測每片T/R組件工作時的表面溫度，得到表1數(shù)據(jù)。Flotherm軟件仿真分析驗證的結(jié)果表明，隨著流量的增加，天線模塊的最高溫度逐漸降低，可以取得理想的冷卻效果；沿著冷卻液的流動方向，T/R組件的溫度逐漸增高，距離冷卻液出口最近的T/R組件冷卻效果最差。從表1數(shù)據(jù)可知，T/R組件之間的溫度一致性約降2.8 ℃，冷板液冷通道完全滿足T/R組件之間≤10%的溫度一致性要求。

表1 T/R組件溫度(環(huán)境溫度：20 ℃)

圖9 樣機(jī)模塊實物

相控陣天線模塊實物如圖9所示，左收右發(fā)，在實際測試中加電加液冷裝置連續(xù)工作24 h以上，天線均工作穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

仿真分析和天線模塊實物的測試結(jié)果均表明，該方法合理可行，可為同類天線結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計提供參考。模塊化設(shè)計，研制出收發(fā)分置的相控陣天線模塊，既節(jié)約了成本，又為后續(xù)大規(guī)模的使用積累了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著制造工藝和天線結(jié)構(gòu)集成能力的不斷提升，機(jī)、電、熱一體化協(xié)同設(shè)計將在相控陣?yán)走_(dá)中得到更廣泛的應(yīng)用。