某雷達天線電源熱設計及仿真分析

劉淑振 胡玲珊 趙 文 楊徐路 羅序榮

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

隨著電子技術的發展，越來越多的多功能、高密度封裝、高速運轉以及體積小等特點的器件被應用于電子設備。電子設備的相應功率和熱流密度隨之增大，產生了更多的熱量。將產生的熱量散出去，才能夠保證電子設備可靠、穩定工作。現代的軍用電子設備對可靠性的要求越來越高，因而熱設計成為器件、設備和系統可靠性的一項重要內容。雷達天線電源是相控陣雷達的重要組成部分，天線電源模塊功率大、熱耗高且熱源集中，因此熱設計雷達電源是一項非常重要的工作。

1 冷卻方式的選擇

目前，電子設備主要使用的冷卻方法有自然冷卻、強迫風冷和強迫液冷等。在一些熱流密度不太高、溫升要求也不高的情況下，通常應用自然冷卻方法。這種處理方式的優點是散熱器生產成本低且結構可靠性高。因此，在考慮冷卻方法時，應優先考慮自然冷卻方法[1-3]。

隨著有源相控陣雷達的發展和雷達陣面內的安裝密度與功率密度的不斷提高，采用自然冷卻已不能滿足要求。在一些熱流密度較大、溫升要求較高的設備中，多采用強迫風冷。雷達電子設備風冷的基本模式是將高功耗元器件的熱量傳遞至底板上的散熱器，然后通過空氣對流帶走熱量[4]。

單個熱源發熱密度高且陣面內的空間有很大限制時，通常采用液冷系統。液體的導熱系數和比熱容均比空氣大，因而可以減小各有關換熱環節的熱阻，提高冷卻效率。此外，液冷具有熱負載均勻、溫度梯度小和結構緊湊的特點。電子設備熱設計目標是以最小的代價尋找一條熱傳遞的通道，即在發熱元器件和熱沉之間尋找低熱阻的通道，保證熱量順利傳遞出去，確保元器件的結溫低于允許值[5]。

在選擇冷卻方式時，要先確定電源模塊的熱流密度，再根據熱流密度的大小和溫升的要求選擇冷卻方式。某雷達天線電源模塊熱功耗為220 W，散熱面積為154 cm2，則電源模塊的的單位面積熱流密度為：

式中：?為單位面積熱流密度；Φ為設備總熱功耗；A為空間中實際有效參與散熱的面積。代入數值，計算可得?≈1.43 W·cm-2。

熱流密度與散熱方式對應關系見圖1。根據散熱環境控制要求，天線陣面環境溫度為45 ℃。為保證電源模塊的可靠性，要求電源模塊表面溫度不大于65 ℃，因此溫升按小于10 ℃選取。

某雷達天線電源模塊熱流密度大、熱量集中且散熱量大，由圖1可知，適宜采用強迫液冷的散熱方案。

圖1 熱流密度與冷卻方式選擇

2 冷板結構設計

2.1 天線電源整體結構設計

天線電源由4個電源模塊組成，每個電源模塊主要分布有4個熱源，每個熱源與冷板的接觸面積為77 cm2。根據減重要求和安裝空間限制，每個電源模塊均使用一塊冷板散熱。為了提高散熱效率，將電源模塊的4個熱源分布在冷板兩側，如圖2所示。

圖2 冷板及熱源分布示意圖

冷板起到機械支撐和換熱的雙重作用，形成了天線電源的框架式結構。4組電源模塊的冷板采用并聯方式連接，每個冷板內部通過U型管路與液流分配合成器組成并聯結構，如圖3所示。

圖3 天線電源結構示意圖

3 仿真分析

考慮到冷板結構設計的精度和計算量，對三維模型進行了一定的簡化。去除不影響結構的倒角和小安裝孔等細小特征以及接插件，通過設計計算確定天線電源冷板的結構形式、流道通徑等參數，在三維建模的基礎上建立了有限元模型，如圖4所示。

圖4 冷板的簡化后有限元模型

冷卻液進口溫度為45 ℃，將熱源負載加在冷板上，求解天線電源冷板和天線電源整體的溫度場分布，分別如圖5和圖6所示。

圖5 天線電源冷板溫度場分布

圖6 天線電源整體溫度場分布

圖5（a）與圖5（b）的仿真結果表明，電源冷板最高溫度為55.978 ℃，其中冷卻液溫升為1.4 ℃，與計算結果56.11 ℃基本一致。由圖6（a）與圖6（b）可知，天線電源最高溫度為56.132 ℃，其中冷卻液溫升為1.5 ℃。

4 結語

針對某型號雷達天線電源的散熱要求進行設計、計算和仿真，數據一致性較好。該設計方案已經在某型號有源相控陣天線中應用，能夠為電子設備提供適宜的工作溫度環境，解決了某有源相控陣雷達天線散熱問題，保障了天線系統的穩定工作。