有源相控陣?yán)走_(dá)天線散熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2020-04-12

1 概述

有源相控陣?yán)走_(dá)天線是一種通過(guò)改變陣列天線中每一個(gè)天線產(chǎn)生電磁波的相位與幅度，從而使指定方向上電磁波加強(qiáng)，其他方向電磁波減弱，來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描的一種器件。

一臺(tái)有源相控陣?yán)走_(dá)天線由m個(gè)子陣組成的，每個(gè)子陣有n個(gè)天線單元通道，每個(gè)天線單元上接有一個(gè)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(kāi)關(guān)等功能電路組成，各器件均會(huì)產(chǎn)生熱量，其中以T/R芯片發(fā)熱最多。

圖一

2 結(jié)構(gòu)

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

圖二

3 散熱方案

有源相控陣?yán)走_(dá)天線功率密度大，因體積和重量限制，散熱條件惡劣。根據(jù)工作條件的不同，分為穩(wěn)態(tài)條件熱設(shè)計(jì)和瞬態(tài)條件熱設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作和短時(shí)間間斷工作。

3.1 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作

對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的設(shè)備而言，散熱設(shè)計(jì)的思路為：將有源相控陣?yán)走_(dá)天線內(nèi)部熱量通過(guò)合適的方式導(dǎo)出，通過(guò)散熱裝置（水冷、風(fēng)冷等）將熱量散發(fā)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(dǎo)熱液---換熱器---空氣

風(fēng)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(zhuǎn)移到冷板或散熱器是整個(gè)方案的關(guān)鍵，常用的方式包括鋁板導(dǎo)熱、熱管導(dǎo)熱、VC板導(dǎo)熱、石墨片導(dǎo)熱等。

對(duì)于采用水冷散熱方案的設(shè)備，利用VC技術(shù)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(dǎo)熱方式，但水冷板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工工藝有較高要求。同時(shí)，水冷散熱的方案結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)，通常僅在地面使用的設(shè)備中采用這種方案，導(dǎo)熱液采用專業(yè)防凍液或乙二醇防凍液。

而對(duì)于采用風(fēng)冷散熱方案的設(shè)備，一般采用熱管將腔體熱量導(dǎo)入到具有翅片的散熱器上，再通過(guò)風(fēng)扇強(qiáng)迫冷卻散熱器的方式，將熱量散發(fā)到空氣中，因有源相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)熱功率大，對(duì)風(fēng)扇和散熱器也提出了更高的要求，通常采用風(fēng)冷散熱的設(shè)備噪音也較大。

3.2 短時(shí)間間斷工作

對(duì)于短時(shí)間間斷工作的設(shè)備，對(duì)應(yīng)瞬態(tài)條件散熱設(shè)計(jì)，散熱設(shè)計(jì)思路為：將有源相控陣?yán)走_(dá)天線內(nèi)部熱量通過(guò)合適的方式盡可能導(dǎo)出到冷板和設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)件上（通常為鋁合金AL6063），通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件

降低傳熱熱阻、增大整個(gè)設(shè)備金屬件的重量和比熱容是整個(gè)散熱方案的關(guān)鍵，因有源相控陣?yán)走_(dá)天線對(duì)整機(jī)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(dǎo)熱率的界面材料、熱管、石墨片、內(nèi)埋熱管的冷板、采用VC技術(shù)的冷板來(lái)降低傳熱熱阻。選用比熱容較大的鋁合金材料作為金屬結(jié)構(gòu)件，如條件適合也可在冷板中預(yù)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(jì)算時(shí)采用公式：

Q=mcp*δT

來(lái)計(jì)算金屬件、冷板及腔體的溫升。

采用公式：Δt=Q*δ/λA 來(lái)計(jì)算傳熱路徑上各點(diǎn)的溫度，進(jìn)而計(jì)算出芯片的溫升?；蛲ㄟ^(guò)熱仿真軟件瞬態(tài)計(jì)算模式進(jìn)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(zhì)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?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁冷板，具有熱阻小，傳熱效率高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，可在內(nèi)部加工流道，實(shí)現(xiàn)水冷換熱。