有源相控陣雷達天線散熱設計

熱設計網 2020-04-12

1 概述

有源相控陣雷達天線是一種通過改變陣列天線中每一個天線產生電磁波的相位與幅度，從而使指定方向上電磁波加強，其他方向電磁波減弱，來實現波束掃描的一種器件。

一臺有源相控陣雷達天線由m個子陣組成的，每個子陣有n個天線單元通道，每個天線單元上接有一個T/R組件，T/R組件由低噪聲放大器、高功率放大器、移相器、T/R開關等功能電路組成，各器件均會產生熱量，其中以T/R芯片發熱最多。

圖一

2 結構

有源相控陣天線基本結構，如下圖所示，其中TR組件陣列為主要的發熱源，冷板為主要散熱器件，周圍的金屬結構件為輔助散熱器件。

圖二

3 散熱方案

有源相控陣雷達天線功率密度大，因體積和重量限制，散熱條件惡劣。根據工作條件的不同，分為穩態條件熱設計和瞬態條件熱設計，分別對應長時間連續工作和短時間間斷工作。

3.1 長時間連續工作

對于需要長時間連續工作的設備而言，散熱設計的思路為：將有源相控陣雷達天線內部熱量通過合適的方式導出，通過散熱裝置（水冷、風冷等）將熱量散發到空氣中，其熱量傳遞的路徑為：

水冷：芯片（熱源）---腔體（支撐芯片）---冷板（水冷換熱板）---導熱液---換熱器---空氣

風冷：芯片（熱源）---腔體（支撐芯片）---散熱器（位于TR組件陣列下部）---空氣

順利將腔體的熱量轉移到冷板或散熱器是整個方案的關鍵，常用的方式包括鋁板導熱、熱管導熱、VC板導熱、石墨片導熱等。

對于采用水冷散熱方案的設備，利用VC技術將水冷板做成均熱板直接插入到各T/R通道的腔體中是理想的導熱方式，但水冷板結構復雜，對加工工藝有較高要求。同時，水冷散熱的方案結構較繁瑣，涉及到管路密封、冷卻液防凍等，在高空使用具有一定的風險，通常僅在地面使用的設備中采用這種方案，導熱液采用專業防凍液或乙二醇防凍液。

而對于采用風冷散熱方案的設備，一般采用熱管將腔體熱量導入到具有翅片的散熱器上，再通過風扇強迫冷卻散熱器的方式，將熱量散發到空氣中，因有源相控陣雷達天線發熱功率大，對風扇和散熱器也提出了更高的要求，通常采用風冷散熱的設備噪音也較大。

3.2 短時間間斷工作

對于短時間間斷工作的設備，對應瞬態條件散熱設計，散熱設計思路為：將有源相控陣雷達天線內部熱量通過合適的方式盡可能導出到冷板和設備金屬結構件上（通常為鋁合金AL6063），通過金屬結構件較高的比熱容吸收熱量，分散在芯片腔體上的能量密度，降低芯片溫升。其能量傳遞路徑為：

芯片（熱源）---腔體（支撐芯片）---冷板、金屬結構件

降低傳熱熱阻、增大整個設備金屬件的重量和比熱容是整個散熱方案的關鍵，因有源相控陣雷達天線對整機尺寸和重量都有很高的要求。故降低傳熱熱阻和選用比如容大的材料是主要的改善方向。通常選用高導熱率的界面材料、熱管、石墨片、內埋熱管的冷板、采用VC技術的冷板來降低傳熱熱阻。選用比熱容較大的鋁合金材料作為金屬結構件，如條件適合也可在冷板中預封裝水，以提高冷板的比熱容，相同的升溫條件下吸收更多熱量。

理論計算時采用公式：

Q=mcp*δT

來計算金屬件、冷板及腔體的溫升。

采用公式：Δt=Q*δ/λA 來計算傳熱路徑上各點的溫度，進而計算出芯片的溫升。或通過熱仿真軟件瞬態計算模式進行仿真分析。

3.常用散熱器件

均熱板:俗稱VC板，是一種利用介質相變傳熱原理，可在二維方向上高速傳遞熱量的器件，用其代替傳統的鋁冷板，具有熱阻小，傳熱效率高的優勢。同時，可在內部加工流道，實現水冷換熱。