某機(jī)載有源天線結(jié)構(gòu)布局及散熱設(shè)計(jì)

蔡香偉，馬寅飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)具有系統(tǒng)效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強(qiáng)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為機(jī)載雷達(dá)的主要發(fā)展方向[1-7]。受載機(jī)平臺(tái)限制，機(jī)載雷達(dá)的輕、小型化已成為一種迫切的需求，而雷達(dá)的小型化會(huì)使得產(chǎn)品的單位熱流密度增加，從而增加熱設(shè)計(jì)的難度[8-10]。

基于某機(jī)載雷達(dá)研制的任務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)了一種有源相控陣天線，針對(duì)可擴(kuò)充陣列模塊和低功率射頻單元等主要熱源，分別采用液冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷方式解決系統(tǒng)的散熱問題。

1 系統(tǒng)概述

機(jī)載有源天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由天線、反射板、可擴(kuò)充陣列模塊、低功率射頻單元、天線框架及饋電網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備組成。系統(tǒng)工作時(shí)，可擴(kuò)充陣列模塊和低功率射頻單元熱耗較大，自然散熱無(wú)法滿足其散熱要求。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)排布時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注這兩部分的散熱設(shè)計(jì)。

圖1 有源天線結(jié)構(gòu)

2 可擴(kuò)充陣列模塊

可擴(kuò)充陣列模塊是有源天線陣面的核心，它的體積、重量以及發(fā)熱量在整個(gè)天線系統(tǒng)所占比例最大，因此要求SAM體積盡量小，重量盡量輕，散熱最佳。

可擴(kuò)充陣列模塊的安裝示意如圖2所示。反射板上設(shè)置水分配器和靜壓腔，可擴(kuò)充陣列模塊從反射板的背面插拔裝卸，其電連接器和液冷連接器均采用盲插形式安裝在反射冷板背板上。為保證盲插性能，其殼體上機(jī)械接口、電接口以及液接口的位置精度要求較高，其中定位精度要求最高的是液接口，因此在進(jìn)液和回液水接頭附近分別布置一個(gè)定位銷。

圖2 可擴(kuò)充陣列模塊安裝示意

一個(gè)可擴(kuò)充陣列模塊包含4個(gè)TR組件，每個(gè)TR具有8個(gè)有源通道。TR組件兩兩并排，然后背靠背安裝在可擴(kuò)充陣列模塊的冷板上。根據(jù)TR組件的熱源分布，在冷板上合理布置水道，可以有效解決TR的散熱問題。液冷冷板內(nèi)嵌肋片和流道結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 液冷冷板內(nèi)嵌肋片和流道結(jié)構(gòu)示意

3 低功率射頻單元

低功率射頻單元示意如圖4所示。其內(nèi)容包括窄帶接收、數(shù)字收發(fā)、模擬收發(fā)、頻率合成及接收電源等。低功率射頻安裝在帶有空腔的背板上，背板通過(guò)法蘭及阻尼鉸鏈安裝在天線框架背部。

圖4 低功率射頻單元

由于載機(jī)平臺(tái)提供的液冷流量有限，只能確?？蓴U(kuò)充陣列模塊的散熱。為保障任務(wù)設(shè)備能進(jìn)行有效冷卻，低功率射頻單元采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和傳導(dǎo)散熱為主，結(jié)合自然散熱的方案。低功率射頻單元背部風(fēng)機(jī)如圖5所示，在背板的背部設(shè)計(jì)風(fēng)道，熱量通過(guò)背板傳導(dǎo)到散熱翅片上，再通過(guò)風(fēng)扇吹風(fēng)將熱量帶走。

圖5 低功率射頻單元背部風(fēng)機(jī)

低功率射頻單元風(fēng)冷工作原理如圖6所示。電子設(shè)備與安裝有密集散熱翅片的冷板接觸，散發(fā)的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞至翅片上，通過(guò)風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，以對(duì)流換熱的方式帶走電子設(shè)備的熱量，從而控制電子設(shè)備各器件的溫度。

圖6 低功率射頻單元風(fēng)冷工作原理

4 熱設(shè)計(jì)

利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對(duì)可擴(kuò)充陣列模塊和低功率射頻單元開展仿真分析，根據(jù)軟件建模及天線特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略螺釘孔及倒角特征，忽略輻射散熱因素。

冷板的散熱能力除了和冷板結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和冷卻液的供液溫度以及流量有關(guān)系，冷板的散熱效果隨著供液溫度的降低和流量的增加而增強(qiáng)，但是供液溫度和供液流量也受其他條件限制。如為防止陣面凝露，供液溫度不應(yīng)低于空氣露點(diǎn)溫度等。供液流量的增加將會(huì)導(dǎo)致流阻的大幅度增加，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)每塊冷板供液流量取值為0.5 L/min。為了驗(yàn)證該冷板的實(shí)際散熱效果，在供液溫度為35 ℃、供液流量為0.5 L/min的工況下，分析可擴(kuò)充陣列模塊流動(dòng)和傳熱仿真，TR溫度云圖如圖7所示。

圖7 TR溫度云圖

圖7中，TR內(nèi)部功率放大器的溫度最高，約為45.115 8 ℃，滿足指標(biāo)要求。

低功率射頻單元散熱翅片結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)各單機(jī)的溫度云圖如圖9所示。

圖8 低功率射頻單元散熱翅片結(jié)構(gòu)

圖9 低功率射頻單元溫度云圖

圖9中，組件最高溫度為68.933 5 ℃，滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

本文對(duì)某機(jī)載有源相控陣天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)主要熱源進(jìn)行熱仿真分析，發(fā)熱元件最高溫度低于各元件允許的工作溫度上限，滿足設(shè)計(jì)要求。