某機載有源天線結構布局及散熱設計

2021-07-02 10:51:06蔡香偉馬寅飛

通信電源技術 2021年5期

蔡香偉，馬寅飛

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

機載有源相控陣雷達具有系統效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強以及可靠性高等優點，逐漸成為機載雷達的主要發展方向[1-7]。受載機平臺限制，機載雷達的輕、小型化已成為一種迫切的需求，而雷達的小型化會使得產品的單位熱流密度增加，從而增加熱設計的難度[8-10]。

基于某機載雷達研制的任務需求，本文設計了一種有源相控陣天線，針對可擴充陣列模塊和低功率射頻單元等主要熱源，分別采用液冷和強迫風冷方式解決系統的散熱問題。

1 系統概述

機載有源天線結構如圖1所示，主要由天線、反射板、可擴充陣列模塊、低功率射頻單元、天線框架及饋電網絡等設備組成。系統工作時，可擴充陣列模塊和低功率射頻單元熱耗較大，自然散熱無法滿足其散熱要求。因此，在進行結構排布時需重點關注這兩部分的散熱設計。

圖1 有源天線結構

2 可擴充陣列模塊

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

可擴充陣列模塊的安裝示意如圖2所示。反射板上設置水分配器和靜壓腔，可擴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，因此在進液和回液水接頭附近分別布置一個定位銷。

圖2 可擴充陣列模塊安裝示意

一個可擴充陣列模塊包含4個TR組件，每個TR具有8個有源通道。TR組件兩兩并排，然后背靠背安裝在可擴充陣列模塊的冷板上。根據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。液冷冷板內嵌肋片和流道結構示意如圖3所示。

圖3 液冷冷板內嵌肋片和流道結構示意

3 低功率射頻單元

低功率射頻單元示意如圖4所示。其內容包括窄帶接收、數字收發、模擬收發、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

由于載機平臺提供的液冷流量有限，只能確保可擴充陣列模塊的散熱。為保障任務設備能進行有效冷卻，低功率射頻單元采用強迫風冷和傳導散熱為主，結合自然散熱的方案。低功率射頻單元背部風機如圖5所示，在背板的背部設計風道，熱量通過背板傳導到散熱翅片上，再通過風扇吹風將熱量帶走。

圖5 低功率射頻單元背部風機

低功率射頻單元風冷工作原理如圖6所示。電子設備與安裝有密集散熱翅片的冷板接觸，散發的熱量通過熱傳導的方式傳遞至翅片上，通過風機吹風，以對流換熱的方式帶走電子設備的熱量，從而控制電子設備各器件的溫度。

圖6 低功率射頻單元風冷工作原理

4 熱設計

利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對可擴充陣列模塊和低功率射頻單元開展仿真分析，根據軟件建模及天線特點，對模型進行簡化處理，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構有關，還和冷卻液的供液溫度以及流量有關系，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，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，供液溫度不應低于空氣露點溫度等。供液流量的增加將會導致流阻的大幅度增加，經優化設計每塊冷板供液流量取值為0.5 L/min。為了驗證該冷板的實際散熱效果，在供液溫度為35 ℃、供液流量為0.5 L/min的工況下，分析可擴充陣列模塊流動和傳熱仿真，TR溫度云圖如圖7所示。