常文凱，胡龍飛，賀奎尚，王 洪

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所， 上海 201109)

引 言

有源相控陣天線集成了大量的有源器件——T/R組件，T/R組件作為天線的核心部件，其有效的相位控制對(duì)天線電掃描至關(guān)重要。對(duì)天線進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)T/R組件的溫度可控，進(jìn)而使天線具有良好的電掃性能。

熱設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是通過(guò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型，使發(fā)熱模塊獲得較低的最高溫和較好的均溫性。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)有源相控陣天線的熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了深入探討。本文在前人研究的基礎(chǔ)上從規(guī)劃和控制各級(jí)傳導(dǎo)熱阻、接觸熱阻和對(duì)流熱阻的全新視角分析了天線陣面的熱設(shè)計(jì)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)了傳熱路徑上(從功率器件或芯片的溝道到外部環(huán)境)各熱阻的最優(yōu)化。

1 總體設(shè)計(jì)

相控陣天線的熱源具有種類少、數(shù)量多、熱源空間位置相對(duì)重復(fù)的特點(diǎn)，屬于陣列式熱源，因此具有獨(dú)特的熱設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程

總體布局主要是對(duì)綜合機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣性能和熱控制進(jìn)行規(guī)劃，完成系統(tǒng)級(jí)風(fēng)道設(shè)計(jì)，確保各陣列中流量均勻。詳細(xì)設(shè)計(jì)主要完成冷板的初步構(gòu)型設(shè)計(jì)，最后僅使用動(dòng)量方程和質(zhì)量方程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證各陣列流量的均勻性。優(yōu)化設(shè)計(jì)僅針對(duì)單列冷板模塊進(jìn)行，優(yōu)化各熱阻并使用全方程進(jìn)行仿真。該流程避免對(duì)全陣面進(jìn)行全方程仿真，提高了仿真的準(zhǔn)確性和效率。

2 熱控初始設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳熱路徑上各傳導(dǎo)熱阻、接觸熱阻和對(duì)流熱阻的有效規(guī)劃即為熱控初始設(shè)計(jì)。

2.1 總體布局(風(fēng)道規(guī)劃)

總體布局采用開式隔離式風(fēng)道[1]設(shè)計(jì)，如圖2所示。風(fēng)路系統(tǒng)由主送風(fēng)道、風(fēng)冷板和主回風(fēng)道構(gòu)成。主風(fēng)道分立天線兩側(cè)，風(fēng)冷板采用分布式布局貫穿天線陣面，但與設(shè)備艙完全隔離。該布局方法可有效提高天線T/R組件的散熱能力，同時(shí)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

圖2 總體設(shè)計(jì)

主送風(fēng)道本質(zhì)上是一種分流器。目前實(shí)現(xiàn)流量均勻分配的主流方法有靜壓腔等量送風(fēng)、變主風(fēng)道截面送風(fēng)和變冷板通風(fēng)口截面送風(fēng)[2]。由于受陣面總尺寸的限制，無(wú)法在天線陣面內(nèi)形成靜壓箱進(jìn)行孔板靜壓通風(fēng)，因此文中采用風(fēng)口遠(yuǎn)端主風(fēng)道變截面的方法，即通過(guò)提高遠(yuǎn)端動(dòng)壓、降低靜壓的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)道送風(fēng)的均勻性。

陣面的風(fēng)冷板劃分為2個(gè)模塊，每個(gè)模塊包含9條散熱冷板，考慮到實(shí)際安裝空間和降低系統(tǒng)噪音等因素，選擇進(jìn)風(fēng)口4個(gè)風(fēng)扇吹風(fēng)，出風(fēng)口4個(gè)風(fēng)扇抽風(fēng)的形式，4個(gè)風(fēng)扇構(gòu)成一個(gè)風(fēng)機(jī)組合。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)(風(fēng)冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))

2.2.1 翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一條冷板進(jìn)行4個(gè)組件的散熱，即總熱耗Q為280 W。

Q=hA(t1-t2)

(1)

式中：h為熱交換系數(shù)，強(qiáng)迫風(fēng)冷一般為60 W/(m2·K)；t1為翅片溫度，t2為冷空氣溫度，t1-t2一般為20 ℃；A為換熱面積。

計(jì)算可得A= 0.23 m2，即單條冷板熱交換面積不小于0.23 m2，基于該值設(shè)計(jì)的冷板結(jié)構(gòu)如圖3和表1所示。

圖3 冷板結(jié)構(gòu)及熱阻分布

熱阻 內(nèi)容接觸熱阻鋁鋁接觸傳導(dǎo)熱阻6063鋁合金對(duì)流熱阻空氣翅片換熱

2.2.2 冷板壓損特性分析

初始設(shè)計(jì)中冷板壓損特性一般通過(guò)仿真獲得，見表2。

表2速度-壓損對(duì)應(yīng)表

2.2.3 冷板風(fēng)量核算

風(fēng)量一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計(jì)算：

Q1=cpρQv(tout-tin)

(2)

式中：Q1為單模塊總熱耗 2 520 W；ρ為空氣密度，取值1.076 5 kg/m3；cp為空氣比熱，取值1 005 J/(kg·K)；Qv為風(fēng)量；tout為出口溫度；tin為入口溫度。

當(dāng)tout-tin= 10 ℃時(shí)，單模塊風(fēng)量需求為838 m3/h，單條冷板風(fēng)量需求為93 m3/h；當(dāng)tout-tin=15 ℃時(shí)，單模塊風(fēng)量需求為558m3/h，單條冷板風(fēng)量需求為62 m3/h；當(dāng)tout-tin=20 ℃時(shí)，單模塊風(fēng)量需求為419 m3/h，單條冷板風(fēng)量需求為46 m3/h。風(fēng)機(jī)選型主要依據(jù)模塊風(fēng)量需求及模塊在該風(fēng)量下的壓損進(jìn)行，同時(shí)兼顧系統(tǒng)噪音要求。根據(jù)以上分析初步選擇 EBM的4118NH4型風(fēng)扇。該系統(tǒng)存在風(fēng)機(jī)串并聯(lián)問(wèn)題，限于篇幅，文中不對(duì)串并聯(lián)進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.3 流量均勻性仿真分析

2.3.1 模塊1

仿真邊界條件：進(jìn)風(fēng)口4個(gè)4118NH4型風(fēng)扇吹風(fēng)，出風(fēng)口4個(gè)4118NH4型風(fēng)扇抽風(fēng)。優(yōu)化后結(jié)果見表3(冷板1～9)。

表3各冷板流量分布

2.3.2 模塊2

仿真邊界條件：進(jìn)風(fēng)口4個(gè)4118NH4型風(fēng)扇吹風(fēng)，出風(fēng)口4個(gè)4118NH4型風(fēng)扇抽風(fēng)。優(yōu)化后結(jié)果見表3(冷板10～18)。

結(jié)論：模塊1和模塊2各冷板風(fēng)量基本均勻，但總體風(fēng)量偏小，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 熱控優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳熱路徑上各傳導(dǎo)熱阻、接觸熱阻和對(duì)流熱阻的有效控制即為熱控優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)環(huán)境溫度低于35 ℃時(shí)，需滿足以下條件：

1)各T/R組件中熱源底部最高溫度≤70 ℃；

2)各T/R組件中熱源底部溫差≤10 ℃。

3.1 接觸熱阻

目前，為提高維修效率，T/R組件與冷板一般不采用焊接的連接形式，而采用螺釘連接或鎖緊機(jī)構(gòu)連接。采用該連接方式，固體對(duì)固體的接觸僅發(fā)生在一些離散點(diǎn)或微小面積上，其余的間隙部分是真空或填充介質(zhì)。由于間隙介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與固體導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，因而引起接觸面附近熱流發(fā)生變化，形成接觸換熱的附加阻力即接觸熱阻，需要采取一定的措施盡量減少接觸熱阻。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)接觸熱阻的研究已很深入。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，鎖緊機(jī)構(gòu)連接形式下的接觸熱阻小于螺釘連接形式下的接觸熱阻，界面填充材料方面的接觸熱阻從大到小依次為無(wú)界面材料、銦箔、導(dǎo)熱襯墊、導(dǎo)熱硅脂?；诳傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中組件采用盲插的形式安裝于冷板上，文中使用鎖緊機(jī)構(gòu)連接組件和冷板，組件和冷板間采用無(wú)接觸材料的形式。在該形式下需要控制接觸面的接觸壓力、平面度和粗糙度以獲得較小的接觸熱阻。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，當(dāng)接觸壓力控制在20 kg/cm2、平面度為0.02 mm(80 mm × 80 mm)、粗糙度為1.6 μm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較好的接觸，接觸熱阻較低。

3.2 傳導(dǎo)熱阻

T/R組件殼體底部傳熱面和散熱冷板之間一般都存在較大的面積差異，因此冷板的總傳導(dǎo)熱阻除一維傳導(dǎo)熱阻外，還包括擴(kuò)展熱阻。因此優(yōu)化總傳導(dǎo)熱阻的本質(zhì)就是減少擴(kuò)展熱阻，提高冷板的均溫性能。文獻(xiàn)[5]研究了總傳導(dǎo)熱阻與熱傳導(dǎo)系數(shù)、冷板厚度、熱源面積及對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系，得出了工程應(yīng)用價(jià)值較大的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本文基于該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)兼顧總體盲插結(jié)構(gòu)，得出冷板最佳厚度為3.5 mm。下面通過(guò)改變冷板熱傳導(dǎo)系數(shù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化總傳導(dǎo)熱阻。

3.2.1 實(shí)心鋁板傳熱仿真

邊界條件：風(fēng)量45 m3/h，入口溫度35 ℃，單條冷板上下各2個(gè)組件。各熱源底部溫度分布如圖4(a)和表4所示。

圖4 各熱源底部溫度分布

表4 各熱源底部溫度℃

結(jié)論：熱源底部最高溫度為63.7 ℃，小于70 ℃；熱源底部最大溫差為14.8 ℃，大于10 ℃。

3.2.2 超薄熱管傳熱仿真

將3.5mm厚的實(shí)心鋁板沿風(fēng)速方向設(shè)置3條1 mm厚的超薄熱管，將前后熱源連接起來(lái)，導(dǎo)熱系數(shù)為500 W/(m·K)，仿真結(jié)果如圖4(b)和表5所示。

表5 各熱源底部溫度℃

結(jié)論：熱源底部最高溫度為59.7 ℃，小于70 ℃；熱源底部最大溫差為12.7 ℃，大于10 ℃。

以上分析表明：傳導(dǎo)熱阻的優(yōu)化在一定程度上改善了熱源底部的溫度分布，但系統(tǒng)均溫性仍不能滿足要求。說(shuō)明在該結(jié)構(gòu)形式下，由于冷板厚度的限制，即使提高導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)溫度分布也無(wú)實(shí)質(zhì)性的改善。下面通過(guò)改變對(duì)流熱阻做進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 對(duì)流熱阻

經(jīng)過(guò)以上分析，天線熱設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在均溫性控制上，提高系統(tǒng)均溫性的首選方法是提高冷板流量。選用更高功率的風(fēng)扇雖能夠提高風(fēng)量，但會(huì)使系統(tǒng)噪音急劇上升，所以不是最優(yōu)方案。在風(fēng)扇固定的情況下，根據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線，可通過(guò)優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)減小系統(tǒng)壓損的方式來(lái)提高風(fēng)量。

3.3.1 減小翅片長(zhǎng)度

風(fēng)路系統(tǒng)的壓損主要有沿程壓力損失和截面突變2種。文中首選減小沿程壓力損失的方法，如圖5(a)所示，將翅片長(zhǎng)度由120 mm減小至40 mm。

圖5 翅片優(yōu)化

對(duì)全陣面風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，單條冷板風(fēng)量可以提高到52 m3/h，壓降為499 Pa，該風(fēng)量下各熱源底部溫度分布如圖4(c)和表6所示。

表6 各熱源底部溫度℃

結(jié)論：熱源底部最高溫度為61.4 ℃，小于70 ℃；熱源底部最大溫差為12.6 ℃，大于10 ℃。

3.3.2 增加翅片間距

經(jīng)過(guò)以上分析，風(fēng)道末端熱源溫度已優(yōu)化到極限，若要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的均溫性，只有提高風(fēng)道前端熱源的溫度，即提高前端熱源處的對(duì)流熱阻，將低溫處翅片間距增加一倍，如圖5(b)所示。

對(duì)全陣面風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，單條冷板風(fēng)量可以提高到60 m3/h，壓降為451 Pa，該風(fēng)量下各熱源底部溫度分布如圖4(d)和表7所示。

表7 各熱源底部溫度℃

結(jié)論：熱源底部最高溫度為59 ℃，小于70 ℃；熱源底部最大溫差為 5.3 ℃，小于10 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 熱測(cè)試

天線陣面的熱測(cè)試主要完成熱源溫度和風(fēng)量的測(cè)量。熱源大多都處在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，很難直接測(cè)量，一般可通過(guò)陣面溫度監(jiān)測(cè)傳感器獲得，陣面實(shí)際風(fēng)量可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

首先，通過(guò)冷板的壓損特性測(cè)試可以獲得冷板風(fēng)量與壓損的關(guān)系曲線，然后在全陣面上通過(guò)測(cè)試孔測(cè)量冷板實(shí)際壓損，由于冷板流量和壓損的關(guān)系是單調(diào)曲線，因此通過(guò)陣面環(huán)境下壓損的測(cè)量值和關(guān)系曲線即可獲得冷板的實(shí)際流量。

4.1 冷板壓損特性測(cè)試

冷板壓損特性測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖6 冷板壓損特性測(cè)試原理圖

圖7 冷板壓損特性圖

4.2 全陣面冷板壓損測(cè)試

全陣面冷板壓損測(cè)試如圖8所示，測(cè)得各冷板的壓損見表8。結(jié)合圖7的曲線可得各冷板的實(shí)際流量，見表8。各冷板流量基本均勻，且流量在60 m3/h左右，與仿真結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)。

圖8 全陣面壓損測(cè)試圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某風(fēng)冷相控陣天線熱設(shè)計(jì)為例，從規(guī)劃和控制各級(jí)傳導(dǎo)熱阻、接觸熱阻和對(duì)流熱阻的視角分析了天線陣面的熱設(shè)計(jì)過(guò)程，提出了一種高效 、簡(jiǎn)潔的熱分析思路，最終實(shí)現(xiàn)了天線T/R組件底部最高溫和均溫性的有效控制。該設(shè)計(jì)思路和方法可供同類產(chǎn)品參考。