某寬帶雷達數(shù)字陣列模塊的熱設(shè)計及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 程龍寶 劉世劼 羅序榮

某寬帶雷達數(shù)字陣列模塊的熱設(shè)計及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 程龍寶 劉世劼 羅序榮

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

為了保證某寬帶雷達數(shù)字陣列模塊穩(wěn)定可靠工作，以良好的導熱通道將其內(nèi)部熱量導出，研究了數(shù)字陣列模塊的散熱問題，分析了數(shù)字陣列模塊的散熱需求，通過計算提出了散熱方案，設(shè)計了數(shù)字陣列模塊的散熱系統(tǒng)，并對散熱系統(tǒng)進行了仿真分析，解決了數(shù)字陣列模塊的散熱問題。

數(shù)字陣列模塊；熱設(shè)計；熱仿真

1 引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子元件的尺寸越來越小，芯片的集成密度不斷提高，導致雷達天線陣面的熱耗及局部熱流密度都迅速增大。電子器件都有其工作溫度的上限，任何設(shè)計精良的電子設(shè)備在長期過熱及不均勻熱應(yīng)力的情況下，都會發(fā)生故障或失效。研究表明電子設(shè)備的失效有55%是由溫度引起的，“10℃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%[1]。傳統(tǒng)風冷散熱模式雖然設(shè)計簡單，成本較低，但很難完全滿足電子設(shè)備的散熱要求，因此，采用液冷的散熱方式是當前散熱的有效途徑[2]。

數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣雷達的關(guān)鍵組成部分，數(shù)字陣列模塊具有集成度高、熱耗分布集中以及對工作環(huán)境要求苛刻等特點。針對數(shù)字陣列模塊的散熱設(shè)計是一項關(guān)鍵技術(shù)。

分析了數(shù)字陣列模塊的散熱需求，通過計算確定了散熱方案，完成了數(shù)字陣列模塊散熱系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，并對散熱系統(tǒng)進行了仿真分析，為數(shù)字陣列模塊的總體設(shè)計提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2 散熱需求分析

數(shù)字陣列模塊包括前端收發(fā)模塊、綜合背板模塊和接收處理模塊，其中前端收發(fā)模塊采用32個8通道T/R組件集成256收發(fā)通道，是數(shù)字陣列模塊的主要熱耗來源，占數(shù)字陣列模塊總熱耗的96.44%，并且熱源分布集中，對散熱的要求高；綜合背板模塊和接收處理模塊熱耗占數(shù)字陣列模塊總熱耗的3.56%，熱源分布相對分散。

根據(jù)雷達系統(tǒng)工作模式、占空比分析，數(shù)字陣列模塊的熱源如下：

a. 前端收發(fā)模塊

前端收發(fā)模塊共由32個8通道T/R組件組成，雷達系統(tǒng)在連續(xù)波狀態(tài)下工作時，單通道熱耗為18W；因此，可以計算出前端收發(fā)模塊的總熱耗1=18×256W=4608W。

b. 綜合背板模塊

綜合背板模塊主要完成T/R組件收發(fā)控制和供電，其熱耗來源為電源模塊，根據(jù)總體設(shè)計數(shù)據(jù)，綜合背板模塊總熱耗2=35W+65W=100W。

c. 接收處理模塊

接收處理模塊主要完成數(shù)字陣列的接收處理及時鐘控制，其熱耗主要在數(shù)字控制板上，根據(jù)總體設(shè)計數(shù)據(jù)，接收處理模塊總熱耗3=70W。

通過以上數(shù)據(jù)可知，數(shù)字陣列模塊的散熱總量統(tǒng)計為=1+2+3=4608W +65W+70W=4778W。

3 散熱方案設(shè)計

3.1 散熱方式選擇[3]

通常相控陣雷達天線典型的散熱方式有強迫空氣冷卻、強迫液冷等，冷卻方式的選擇應(yīng)結(jié)合發(fā)熱模塊的熱流密度和具體使用環(huán)境要求確定。

圖1 熱流密度與冷卻方式選擇

T/R組件設(shè)計為8通道，單個通道熱耗為18W，T/R組件散熱面尺寸為65mm×94mm，由此可得出T/R組件的熱流密度約為2.36W/cm2。熱流密度與散熱方式對應(yīng)關(guān)系見圖1，根據(jù)散熱環(huán)境控制要求，溫升按小于10℃選取。

由圖1可知，T/R組件熱流密度大、熱量集中、散熱量大，應(yīng)采用強迫水冷的散熱方案。

3.2 設(shè)計實現(xiàn)

通過以上分析，選擇了強迫水冷的散熱方案，由于數(shù)字陣列模塊的熱量有96.44%分布在前端收發(fā)模塊，因此散熱系統(tǒng)設(shè)計以數(shù)字陣列模塊的前端收發(fā)模塊為主，其余熱量根據(jù)經(jīng)驗，通過熱源緊貼結(jié)構(gòu)件傳導散熱即可。

3.2.1 液冷系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)雷達系統(tǒng)設(shè)計方案，數(shù)字陣列模塊的通道排布如圖2所示，數(shù)字陣列模塊口徑為240mm×216mm。

圖2 數(shù)字陣列口徑及通道排布

根據(jù)數(shù)字陣列模塊口徑及通道分布情況，將圖2中的縱向每8通道設(shè)計為一個T/R組件，共形成32個8通道T/R組件的集成，如圖3所示。

圖3 前端收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)集成

由圖3可以看出，前端收發(fā)模塊由32個8通道T/R組件、8個組件冷板和液流分配板組成，其中，每4個T/R組件背靠背安裝在1個組件冷板上，8個組件冷板通過液流分配板并聯(lián)組成數(shù)字陣列模塊前端收發(fā)模塊的液冷系統(tǒng)。

3.2.2 流道設(shè)計

常用的冷板流道排布方式分為3種形式：串聯(lián)式流道、并聯(lián)式流道、串并聯(lián)結(jié)合式流道。

前端收發(fā)模塊由于T/R組件熱流密度大，單純的串聯(lián)式流道不足以滿足T/R組件的散熱，故在T/R組件貼合下方布置凸臺形成微流道來增加有效接觸面積，提高換熱效率，增加散熱效果。組件冷板流道布局如圖4所示。

圖4 組件冷板流道示意圖

組件冷板在生產(chǎn)測試和使用過程中，流道腔體內(nèi)會承受一定壓力。當壓力值超過一定值后，液冷冷板局部會發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，但未破裂。鼓包現(xiàn)象的產(chǎn)生，對散熱元件的安裝、液冷冷板的散熱效率造成重要影響，因此，液冷冷板的流道設(shè)計需要考慮耐壓變形設(shè)計。根據(jù)設(shè)計要求，冷板應(yīng)在1.6MPa的壓力而不產(chǎn)生塑性變形，因此對冷板流道進行耐壓強度仿真，仿真結(jié)果如下圖5、圖6所示。

圖5 冷板受1.6MPa壓力時的應(yīng)力

圖6 組件冷板受1.6MPa壓力時的位移

由仿真結(jié)構(gòu)可知，冷板在承受1.6MPa的壓力時應(yīng)力和位移分別為18.142MPa、0.0021mm，6063鋁合金的屈服強度為255MPa，應(yīng)力遠小于材料的屈服強度，同時應(yīng)變0.0021mm，故冷板流道設(shè)計滿足強度要求。

4 散熱計算

4.1 流量計算

根據(jù)T/R組件的熱耗進行初步理論計算[4]：

將各值代入公式可得：

0=2.38674×10-5m3/s≈1.4L/min

整個前端收發(fā)模塊系統(tǒng)共包含8個相同的組件冷板，因此，總流量應(yīng)為：1.4×8=11.2L/min。

為了達到良好的散熱效果，需要取一定的余量，設(shè)置總流量為14L/min。

4.2 流量分配計算

散熱系統(tǒng)總流量為14L/min，共包含8個組件冷板，理論上每個子陣冷板應(yīng)為14/8=1.75L/min，由于流量分配時存在一定的偏差，一般流量分配在理論值的±10%左右即認為系統(tǒng)的流量分配均勻，即每個子陣冷板的流量范圍為1.575～1.925L/min。

分水器起到連接進水板并把流量平均分配到各個子陣中去的作用。各個子陣的流量分配均勻性關(guān)鍵在于流體在分水器內(nèi)的流速，一般流速≤5m/s[5]。

系統(tǒng)總流量為14L/min，由公式=·計算得出過流斷面積。其中：表示過流斷面積，m2；表示液體流速，m/s。

分水器流道截面多為矩形，此處的過流斷面積并不等同于矩形截面積。

由公式=4/計算等效水力直徑，表示流體通道截面面積；表示過流斷面上流體與固體接觸的周長；再計算過流斷面積[6]：

=π(/2)2

根據(jù)以上計算，再結(jié)合分水器的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計分水器的流道，如圖7所示。

圖7 液流分配器流道布局

5 仿真分析

5.1 建立仿真模型

5.1.1 模型處理

為了降低網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，熱仿真模型對實際模型做了部分簡化處理，并做了理想化假設(shè)，簡化內(nèi)容及理想化假設(shè)分為以下兩類：

a. 系統(tǒng)級簡化及理想化假設(shè)

去掉所有螺釘、定位銷、O型圈、連接器等元器件；去掉一些實際加工時產(chǎn)生的圓角等特征；

b. 熱源簡化及理想化假設(shè)

T/R組件僅保留芯片與組件殼體兩部分，芯片與組件殼體之間單位面積接觸熱阻為2.123K/W，組件殼體與冷板之間貼裝厚0.1mm，三方向等效導熱系數(shù)70W/(m·k)的銦片；電源模塊（熱源）簡化為94mm×70mm×2mm的長方體薄塊，假設(shè)與冷板接觸良好；忽略T/R組件殼體的實際情況對散熱的影響，以三方向等效導熱系數(shù)144W/(m·k)的合金代替。

5.1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用FloEFD進行網(wǎng)格劃分和仿真分析，F(xiàn)loEFD支持全自動網(wǎng)格劃分和基于仿真結(jié)果的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，其采用基于有限體積法的離散數(shù)值技術(shù)求解。

網(wǎng)格設(shè)置為基礎(chǔ)網(wǎng)格：方向網(wǎng)格數(shù)25，方向網(wǎng)格數(shù)25，方向網(wǎng)格數(shù)25；網(wǎng)格細化精度：4級。

5.1.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)雷達設(shè)計參數(shù)要求設(shè)置仿真邊界條件：環(huán)境溫度：60℃；入液溫度：35℃；流體介質(zhì)：65號防凍液；流量：14L/min；基體材料：6063鋁合金。

5.2 仿真結(jié)果分析

圖8 整體表面溫度云圖

圖9 組件冷板的表面溫度云圖

圖10 T/R組件殼體的表面溫度云圖

圖11 綜合背板和接收處理模塊熱源溫度云圖

圖12 各組件冷板最高溫度位置分布圖

由圖8～圖12可知，在環(huán)境溫度60℃，供液溫度35℃的條件下，數(shù)字陣列模塊外殼平均溫度約75℃，T/R組件內(nèi)部芯片結(jié)溫144℃，T/R組件表面溫度78.1℃，組件冷板表面62.22℃，冷卻系統(tǒng)冷卻液出口溫度41.95℃，綜合背板模塊和接收處理模塊熱源最高78.44℃，均滿足設(shè)計指標要求。

圖13 組件冷板壓力分布云圖

由圖13可知，在冷卻介質(zhì)為65號防凍液，供液溫度35℃，供液流量14L/min，環(huán)境溫度60℃的情況下，系統(tǒng)最大壓力為154702.93Pa，出口壓力為101325Pa，故系統(tǒng)流阻約為54kPa，因仿真時未包含流體連接器，系統(tǒng)用2套TSF-8流體連接器，每套在14L/min的流量時，流阻約為19kPa，故整個系統(tǒng)流阻約為92kPa，流阻較高，但可滿足液冷系統(tǒng)100kPa的壓損要求。

整個子陣液冷系統(tǒng)包含8個冷板，14L/min的流量均勻進入8個冷板內(nèi)，平均每個冷板流量為1.75L/min，約為2.917×10-5m3/s。由圖14可知，最低流量為2.855×10-5m3/s，最高流量為2.995×10-5m3/s，均在2.917×10-5m3/s±10%范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

某寬帶雷達數(shù)字陣列模塊集成度高、熱耗分布集中。為了保障模塊的正常工作，針對高熱流密度的T/R組件，在冷板內(nèi)部設(shè)計了具有傳熱凸臺的流道，并對冷板進行了力學及熱學仿真。仿真分析結(jié)果表明，冷板的設(shè)計滿足T/R組件的散熱要求，并留有一定的設(shè)計余量，且具有良好的剛強度；冷板流道內(nèi)嵌入凸臺形成微流道，散熱效果良好，但造成了流道的流阻較大，仍在可接受的壓損范圍內(nèi)。該設(shè)計方案已經(jīng)在某數(shù)字陣超寬帶雷達中應(yīng)用，解決了數(shù)字陣超寬帶雷達數(shù)字陣列模塊的散熱問題，保障了天線系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。該研制方案和方法可以在同類產(chǎn)品設(shè)計中推廣應(yīng)用。

1 任恒，劉萬鈞，洪大良，等. 某相控陣雷達T/R組件熱設(shè)計研究[J]. 火控雷達技術(shù)，2015，44(4)：60～64

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3 袁湘輝．雷達發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化分析[J]. 通信電源技術(shù)，2017，34(1)：73～74

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5 Steinberg，D S. 電子設(shè)備冷卻技術(shù)[M]. 李明鎖，丁其伯譯. 第2版. 北京：航空工業(yè)出版社，2012

6 付祥釗，肖益民. 流體輸配管網(wǎng)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

Thermal Design and Simulation Analysis of Wideband Radar Digital Array Module

Liu Shuzhen Hu Lingshan Cheng Longbao Liu Shijie Luo Xurong

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

In order to ensure the stable and reliable operation of an ultra wideband digital array module, it is necessary to have a good heat conduction channel to export its internal heat. This paper studies the heat dissipation of a digital array module. A heat dissipation system is designed on the basis of analyzing the heat dissipation demand and calculating the liquid cooling heat dissipation. By carrying on simulation analysis to the heat dissipation system, it confirms that this scheme solves the heat dissipation problem of the digital array module.

digital array module；thermal design；thermal simulation

TJ

A

劉淑振（1986），碩士，兵器發(fā)射理論與技術(shù)專業(yè)；研究方向：雷達陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2021-06-21