何林濤

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

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機載毫米波有源相控陣天線熱設(shè)計研究

何林濤

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

摘要：針對機載毫米波有源相控陣天線的熱設(shè)計問題，研究了一種工程需求和專業(yè)熱仿真軟件結(jié)合的方法。分析了采用該設(shè)計方法的天線熱設(shè)計流程，分析結(jié)果表明，優(yōu)化流道布局可以有效地解決天線這類電子設(shè)備的熱設(shè)計問題。并經(jīng)過實物試驗的驗證，證實了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：毫米波；相控陣天線；熱設(shè)計

毫米波有源相控陣天線因具有質(zhì)量輕、體積小、波束窄、波速掃描靈活、抗干擾能力強等特點，在航空航天通信、多目標跟蹤、導航和彈載導引頭等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，毫米波有源相控陣天線系統(tǒng)的集成度越來越高，天線內(nèi)的熱流密度相應(yīng)的不斷增加。根據(jù)相關(guān)文獻記載，電子設(shè)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[4]。因此，為了保證天線可靠性，對天線進行細致的熱設(shè)計非常重要。目前國內(nèi)外公開研究成果中較少涉及毫米波相控陣天線熱設(shè)計。

由于毫米波有源相控陣天線的硬件成本極高，如果采用傳統(tǒng)的實物驗證設(shè)計方式，會極大的增加研發(fā)成本。因此必須在產(chǎn)品設(shè)計階段就進行系統(tǒng)熱設(shè)計。毫米波有源相控陣天線是一個極其復(fù)雜的設(shè)備，單純的根據(jù)經(jīng)驗公式很難得出合理的設(shè)計方案。熱設(shè)計工程經(jīng)驗結(jié)合專業(yè)熱仿真軟件成為目前降低成本，縮短研發(fā)周期的有效手段。機載平臺對天線的可靠性、體積質(zhì)量及環(huán)境適應(yīng)性等要求十分苛刻，因此熱設(shè)計過程中還必須加入相應(yīng)工程因素的評估，設(shè)計流程如圖1所示。

圖1　熱設(shè)計流程

1某毫米波有源相控陣天線熱設(shè)計方案

1.1問題描述

某機載有源相控陣天線是由陣面、T/R組件、波控和電源等模塊組成。

天線最大熱耗為300 W。天線發(fā)熱集中于T/R組件的功放芯片，局部熱流密度達到了20 W/cm2。

芯片指標要求環(huán)境溫度35℃時，芯片安裝面的最高溫度不能超過105℃。同時由于芯片性能對溫度變化比較敏感，芯片之間的最大溫差不超過10℃。

1.2散熱方式選擇

目前，機載設(shè)備常用的散熱方式有自然散熱、強迫風冷、液冷冷板等方法。自然散熱成本低，故障率低，但只適合熱耗較小的設(shè)備。強迫風冷的設(shè)計方案是將發(fā)熱器件或者模塊固定到散熱器上，熱量以傳導的方式傳遞到散熱器上，冷風經(jīng)過散熱器時帶走熱量實現(xiàn)對流換熱。液冷冷板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。

機載天線的散熱方案依據(jù)天線的性能和熱耗、飛機平臺要求、設(shè)備的體積質(zhì)量限制、可靠性、維修性和環(huán)境適應(yīng)性進行設(shè)計。其中T/R組件的功放芯片的許用溫升和最高熱流密度是選擇的主要依據(jù)。

本項目的天線結(jié)構(gòu)緊湊，而且局部熱流密度偏高，根據(jù)熱設(shè)計原則[5]的要求，選擇液冷散熱方案。

1.3冷卻液流速估算

冷卻液的流速是影響液冷散熱的因素之一。通過工程經(jīng)驗估算冷卻液的需求流速可以為后續(xù)的詳細仿真分析提供參考和指導。

對于液冷系統(tǒng)來說，與空氣的熱傳遞可以忽略不計,熱量主要是從冷卻液帶走。以冷卻液為熱力學系統(tǒng)，根據(jù)熱力學第一定理開口系統(tǒng)能量方程式，可得

(1)

在工程上，航空小型設(shè)備的液冷進出口溫差一般為3～5℃，為了留出熱設(shè)計可靠性余量，暫取溫差為3℃。冷卻液為防凍液，在35℃時CP=3151 J/(kg·℃)，代入式(1)可得冷卻液流量

(2)

2仿真分析和優(yōu)化設(shè)計

2.1初始熱設(shè)計方案

天線的85%的熱耗是來自于T/R組件的功放芯片。芯片按二維矩陣方式排列在射頻印制板上，形成一個大的組合矩陣。射頻印制板安裝在T/R組件的金屬盒體上。

為了冷卻芯片，確保天線的正常工作，T/R組件的功放芯片到液冷流道的熱阻須盡可能的小。同時考慮該天線減少體積質(zhì)量的需求，液冷板設(shè)計為結(jié)構(gòu)功能一體化部件設(shè)計，液冷流道包含在T/R組件的盒體中，流道進出口安裝自密封液冷插座，如圖2所示。

圖2　T/R組件外形模型圖

電源等其余的發(fā)熱模塊分別安裝在T/R組件下方。

由于機載平臺對設(shè)備的體積質(zhì)量等指標十分苛刻，天線初始方案首先按照小型化和輕量化原則設(shè)計，同時還要兼顧良好的加工性，所有模塊的盒體選用鋁合金加工。

T/R組件盒體總高度為17 mm。盒體正面加工有0.5 mm深的腔體，用以安裝射頻印制板；盒體反面加工有12.7 mm深的腔體，用以安裝低頻印制板；盒體中間的剩余的底板厚度為3.8 mm。由于中間底板厚度偏薄，而且還有安裝插座的通孔，很難放置液流流道。故從盒體設(shè)計加工難度考慮，初始方案圓形液冷管道設(shè)計在T/R組件盒體四周側(cè)壁內(nèi)，如圖3所示。

圖3　T/R腔體剖視圖

初始散熱方案雖然采用了散熱效率很高的液冷，但是也存在單個熱源熱流密度高、熱源分布范圍廣、導熱路徑不良等不利因素。為了驗證天線熱設(shè)計方案的可行性，本項目采用了仿真計算。

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。計算模型做如下處理：① 凍液的物理參數(shù)設(shè)置為常數(shù)；② 流體的流動是定常的；③ 發(fā)熱器件為穩(wěn)定熱耗；④ 考慮重力影響；⑤ 模型采用有限容積法進行離散，選取標準的k-ε紊流模型；⑥ 芯片和印制板分別采用粘接和焊接固定，忽略連接處的接觸熱阻；⑦ 熱仿真環(huán)境溫度和供液溫度均為35℃，供液流速按1.3節(jié)的計算結(jié)果0.031 7 kg/s。

仿真結(jié)果見圖4和圖5所示。可以看出功放芯片安裝面最高溫度為127.87℃，已經(jīng)遠遠超出許用溫度，而且芯片之間的最大溫差達到了40℃，不能滿足設(shè)計要求，必須改進散熱方案。

圖4　天線溫度云圖

圖5　T/R組件溫度云圖

2.2設(shè)計改進

初始方案的熱仿真結(jié)果只是T/R組件的功放芯片超出許用溫度，而其他發(fā)熱模塊的殼溫控制在60℃以下，還有較大的設(shè)計余量。因此優(yōu)化設(shè)計主要針對T/R組件。

根據(jù)文獻[6]中的理論，T/R組件的功放芯片到液冷介質(zhì)的傳熱路徑可以表示為熱阻拓撲模型：芯片→印制板→盒體底板→盒體四周冷板→液冷介質(zhì)。

對于模型內(nèi)部任一細小單元，根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律，三維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程為

(3)

以下將結(jié)合工程方法對熱傳遞路徑的改進進行分析。

1)冷板熱阻

本項目的液冷板(即T/R組件盒體四周側(cè)壁)平均溫度約為68℃，高出液冷介質(zhì)約33℃，具有一定的優(yōu)化余量。

液冷板可近似視為一個恒溫壁，其換熱系數(shù)取決于換熱方程和能量守恒定律：

P=hAδtm

(4)

(5)

(6)

其中：H為對流換熱系數(shù)；A為參與對流換熱面積；ΔtM為對數(shù)平均溫差；j為靠爾本數(shù)；G為單位面積的質(zhì)量流量；Pr為普朗特數(shù)；TS為冷板平均溫度。

根據(jù)式(4)～式(6)可知，熱耗不變的情況下，增加換熱面積和液冷流量可以降低冷板的平均溫度。

由于本項目液冷板的體積空間有限，如果增加流道換熱面積，就必須更改流道加工工藝，而新工藝需要增加整個設(shè)備長寬尺寸。因此降低液冷板溫度主要針對增加流量進行分析。

將液冷流量增加到0.047 6 kg/s后，天線溫度云圖如圖6所示，冷板平均溫度下降到60℃以下，芯片最高溫度降低不到10℃，而芯片之間的溫差沒有改善，仍然為40℃。

增加液冷流量可以降低冷板和液冷介質(zhì)的熱阻，從而降低冷板的溫度，而且隨著流量的顯著增加，熱阻雖然得到降低，但是效果并不顯著。同理可以推導出增加換熱面積也可以降低冷板溫度，但是芯片之間的溫差還是得不到明顯改善。

因此單純增加流量對本項目的改進意義不大，反而會增加流阻，降低液冷換熱效率[7-8]，極大地增加裝機平臺散熱系統(tǒng)負擔，如非必要，不宜采用。

圖6　增大流量后天線溫度云圖

2)盒體熱阻

盒體傳熱屬于固體熱傳導，但是多個熱源有疊加效應(yīng)，增加了熱設(shè)計難度。

盒體底板中心到四周的溫差約20℃，一方面是因為盒體底板較薄，熱傳導能力弱，另一方面也是由于多個芯片矩陣分布的疊加效應(yīng)。底板四周到周邊冷板的溫差達到25℃，則是因為底板四周加工有16個插座安裝通孔，減少了底板到冷板的傳熱路徑，導致熱阻增加。

根據(jù)式(3)可知，增加材料導熱系數(shù)可降低熱源溫度。在工程上，常規(guī)的優(yōu)化方法一般有增加導熱路徑，更換銅和使用新型高導熱材料等。其中高導熱材料是近年來研究的熱門，有石墨烯、金剛石銅和熱管等，可以在不增加質(zhì)量甚至減重的前提下，提高散熱能力。曹紅[9]采用高導熱的均溫板材料解決了某毫米波功放組件的熱設(shè)計。

對比幾種材料的工藝性分析，熱管的可裝配性相對較高，而且安裝熱管后，對T/R組件其他器件的安裝工藝影響較小。

根據(jù)盒體布局空間嵌裝3根熱管,熱管從盒體底板中間延續(xù)到液冷流道上方，如圖7所示。

計算結(jié)果見圖8所示。加裝熱管方案受到模塊體積和器件布局的限制，熱管安裝區(qū)域有限，因此芯片最高溫度只下降到116℃，芯片之間的最大溫差下降到25℃，仍然不能滿足設(shè)計要求。

圖7　熱管方案

圖8　熱管方案溫度云圖

3)射頻印制板的熱阻

印制板是非金屬基板和銅層的復(fù)合材料，水平方向和法向的導熱系數(shù)相比金屬都要低很多，而法向的厚度尺寸比水平方向的長寬尺寸要少很多，因此芯片的產(chǎn)生的熱大多數(shù)是通過法向傳導到金屬盒體上，再向四周擴散。在這種情況下，印制板的導熱問題可簡化為一維導熱方程。增加印制板的法向?qū)崮芰?，可有效地降低芯片溫度?/p>

芯片安裝面到盒體底板的溫差達到25℃，說明射頻印制板的法向熱阻極高。初樣方案射頻印制板截面如圖9所示，由于T/R組件的集成度高，布線困難，芯片的下方印制板中法向金屬導熱柱設(shè)計的數(shù)量偏少，而且印制板基材的導熱系數(shù)極低，導致熱阻偏高，經(jīng)過實測，射頻印制板法向?qū)嵯禂?shù)僅為3 W/m·K，具有提高的空間。

射頻印制板優(yōu)化設(shè)計可通過增加銅層比例，優(yōu)化印制板布板設(shè)計、增加法向金屬導熱柱等方法降低熱阻，優(yōu)化后印制板芯片安裝區(qū)法向熱導率為7 W/m·K。經(jīng)過計算后，優(yōu)化后的芯片安裝碼到盒體底板溫差降低到約10℃。

圖9　射頻印制板截面

2.3改進方案

從上文分析和仿真結(jié)果來看，對于本項目這種高熱流密度、熱源集中、傳熱路徑不良而且安裝體積限制較大的設(shè)備來說，僅僅靠更換材料增加導熱系數(shù)并不能滿足熱設(shè)計要求，還必須要考慮其他措施。

何倩鴻[10]提出一種分布矩陣法優(yōu)化多芯片的二維布局，從而使冷板散熱資源得到最大化利用，進而降低芯片溫度。

本項目中芯片布局和天線電性能相關(guān)，不能隨意更改。但根據(jù)相同的思路，也可通過優(yōu)化液冷流道布局來適應(yīng)芯片分布，使散熱資源得到充分利用。

優(yōu)化液冷流道，直接將液冷流道設(shè)計到芯片下方的盒體的底板中，根據(jù)芯片的分布布置液冷流道走向。一方面可以有效縮短芯片到液冷介質(zhì)的熱傳遞路徑，從而大幅度降低熱阻，另一方面也由于液冷板極高的散熱效率，均溫性好，進而降低芯片組的相對溫差。

但流道布置在T/R組件盒體內(nèi)部，一旦出現(xiàn)液體泄露，會導致芯片短路毀，因此需要提高液冷板的設(shè)計可靠性。

從工藝可靠性和平臺環(huán)境試驗的要求考慮，盒體需要按照以下要求進行改進設(shè)計：液冷流道從兩個插座之間區(qū)域進入底板，該連接區(qū)域的寬度需要增加到13 mm，如圖 10所示，防止流道加工缺陷，出現(xiàn)滲液、漏液；盒體中間底板厚度增加1.2 mm，確保流道的耐壓性能滿足飛機平臺指標要求；液冷流道避開盒體內(nèi)插座安裝孔和螺紋孔等，盡量布置在整個芯片矩陣分布區(qū)域。

由于印制板的優(yōu)化后芯片降溫效果十分明顯，所以和液冷流道布局優(yōu)化一并采納計算校核，熱仿真結(jié)果如圖11所示。

優(yōu)化流道設(shè)計的方案，極大地降低了盒體熱阻，在不增加流量的前提下，可以將芯片安裝面的最高溫度降低到73℃，芯片之間的溫差控制在10℃以內(nèi)，而且其他模塊的殼溫也不高于65℃。

圖10　改進流道方案

圖11　改進流道方案溫度云圖

整個設(shè)備的高度只增加了1.2 mm,印制板的布線設(shè)計也只付出了很少的代價，但是其熱設(shè)計可靠性余量更高，甚至還可降低液冷流量需求，故采用該方案。

改進方案后加工了天線初樣，設(shè)備順利通過耐壓、高低溫、振動、沖擊和高度試驗，證明了天線方案的可行性。

3結(jié)論

針對機載毫米波有源相控陣天線熱設(shè)計，提出了工程需求和專業(yè)熱仿真軟件結(jié)合的方法。通過對某天線的熱設(shè)計方案進行了分析，計算結(jié)果表明對于相控陣天線這種多個熱源分布范圍廣、單個熱源熱流密度高、熱源溫度一致性要求高、體積限制嚴格和嚴酷環(huán)境適應(yīng)要求的電子設(shè)備，僅僅降低導熱路徑的熱阻是不夠的，而優(yōu)化流道布局是解決該類設(shè)備熱設(shè)計的有效方法，且付出的代價很小。仿真分析和天線實物的試驗結(jié)果均表明，該方法合理可行，可為同類產(chǎn)品的熱設(shè)計提供參考。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：何林濤.機載毫米波有源相控陣天線熱設(shè)計研究[J].兵器裝備工程學報，2016(5):115-119.

Citation format:HE Lin-tao.Research of Thermal Design on an Airborne Millimeter-Wave Active Phased Array Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):115-119.

Research of Thermal Design on an Airborne Millimeter-Wave Active Phased Array Antenna

HE Lin-tao

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract:In order to solve the problem of thermal design on an airborne millimeter-wave active phased array antenna，this paper studied the method which combined engineering demand with thermal design software.The process of thermal design on antenna which was based on the proposed method was described.According to conclusions of the process,optimization of coolant passage layout solved the problem of thermal design on antenna efficiently.At last,the experimental result showed that the method is feasible.

Key words:millimeter-wave；phased array antenna；thermal design

doi:【信息科學與控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.028

收稿日期：2015-11-17；修回日期：2015-12-12

基金項目：國防基礎(chǔ)科研計劃資助項目(JCKY2013210B004)

作者簡介：何林濤(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事航空電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

中圖分類號：TN305.94

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0115-05