隨著雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，毫米波有源相控陣因體積小、重量輕、掃描靈活、抗干擾等特點被廣泛用于軍事與民用領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展與進步，毫米波相控陣的系統(tǒng)集成度越來越高，陣面內(nèi)毫米波功放組件的功耗與熱流密度也在不斷增加，毫米波相控陣內(nèi)的組件散熱集成逐漸成為陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)的瓶頸問題。為保證毫米波相控陣天線具備陣面可擴展性及相控陣的可維修性，毫米波功放組件通常需要設(shè)計成薄刀片結(jié)構(gòu)，但因毫米波頻段天線的工作頻率高，工作波長短，天線陣面的組陣間距通常小于10 mm，毫米波功放組件需要在極小的高度尺寸內(nèi)實現(xiàn)組件的液冷散熱集成，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱設(shè)計的難度遠超出一般功放組件的設(shè)計難度。目前毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與液冷散熱設(shè)計在國內(nèi)外公開的研究中涉及較少。本文通過對毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了在毫米波相控陣天線組陣間距為5 mm條件下毫米波功放組件的模塊化盲插結(jié)構(gòu)及液冷散熱集成設(shè)計。

毫米波功放組件內(nèi)的功率放大芯片及收發(fā)多功能芯片尺寸小，熱流密度大，其熱失效問題嚴重影響相控陣面的運行效率及使用壽命。同時毫米波相控陣內(nèi)通常需要多個毫米波功放組件單件，單個陣列的不同組件的功率也不一致，而組件對工作溫度一致性要求非常高，溫度分布不均對電性能的影響十分顯著。本文通過仿真計算的方式對不同組件內(nèi)的流量分配及溫度一致性進行了研究，提供了同位芯片的溫度分布界限，并以此為依據(jù)，采用電氣補償電路消除或降低核心芯片溫度分布的影響，提高毫米波相控陣組件的一致性與性能。

某毫米波相控天線陣的方位和俯仰陣元數(shù)分別為16 元和32 元，橫向和縱向陣列間距皆為5 mm。毫米波相控天線陣需要具備可擴展性及快速維修性，天線陣面需要設(shè)計成刀片組件結(jié)構(gòu)以適應(yīng)陣面的快速維修。天線陣面采用液冷散熱，冷卻工質(zhì)為AF65#防凍液，供液最小流量為12 L/min，最大流量為15 L/min，天線陣整機散熱熱負荷為4 750 W，毫米波功放組件部分散熱功率為4 160 W，供液溫度為45 ?C。

毫米波功放組件結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點之一就是需要在極小的尺寸內(nèi)集成組件內(nèi)的功能芯片和電路，同時解決組件內(nèi)功放芯片的散熱問題。毫米波功放芯片的結(jié)構(gòu)尺寸極小，功耗與熱流密度較大，因此芯片的散熱設(shè)計集成也成為組件結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點與瓶頸。文中毫米波相控陣的陣面組陣間距僅為5 mm，為實現(xiàn)毫米波相控陣的快速盲插結(jié)構(gòu)集成，本文設(shè)計的單個毫米波功放組件為刀片組件結(jié)構(gòu)，而毫米波功放組件在方位方向的天線陣面長度僅為80 mm，因此單個相控陣內(nèi)毫米波功放組件在方位方向?qū)嵭幸惑w化設(shè)計。為將液冷散熱流道集成至單個毫米波功放組件內(nèi)部，同時減少天線轉(zhuǎn)接插損，文中毫米波功放組件在俯仰方向上集成為2組天線陣元，既保證毫米波功放組件具有一定的厚度尺寸用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與散熱集成，又保證天線與功放組件設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)接電纜帶來的插損，可極大地提升毫米波相控天線陣的整體性能。綜上所述，單個毫米波功放組件需要集成16 × 2 元天線，厚度方向需要小于10 mm（2倍組陣間距），本文設(shè)計的毫米波功放組件的最終主體厚9.7 mm。

整個毫米波相控天線陣總共包含16 × 32 元陣元，需要拆分設(shè)計為16個毫米波功放組件，單個功放組件的散熱負荷為260 W，單個組件的設(shè)計標稱流量為0.75 ～ 0.94 L/min，系統(tǒng)中毫米波功放組件位于液冷散熱流路的前端，根據(jù)液冷流量選擇通徑為3 mm的液冷盲插連接器。

為實現(xiàn)毫米波相控陣的快速維修，毫米波功放組件需要設(shè)計成盲插結(jié)構(gòu)。由于組件可用的盲插液冷連接器的外部尺寸超過單個毫米波功放組件的厚度尺寸，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時，組件的盲插結(jié)構(gòu)也成為組件設(shè)計的結(jié)構(gòu)難點之一。本文首先對單個組件整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，采用鏡像扣合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)組件的盲插結(jié)構(gòu)集成設(shè)計。單個毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個組件扣合集成后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1 毫米波功放組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 毫米波功放組件扣合結(jié)構(gòu)示意圖

毫米波功放組件內(nèi)部主要散熱芯片參數(shù)見表1。為提升毫米波功放組件內(nèi)核心芯片的散熱能力，組件內(nèi)開關(guān)芯片與功放芯片采用共晶安裝在金剛石銅載板上，其余芯片粘貼至0.45 mm厚的陶瓷電路片上。芯片主要排布結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表 1 主要散熱芯片參數(shù)

圖 3 主要散熱芯片分布示意圖

采用商用FloEFD軟件進行仿真分析，對設(shè)備物理模型進行簡化后開展仿真與計算。其主要邊界條件設(shè)置如下：1）冷卻工質(zhì)為AF65#冷卻液；2）進液溫度為45 ?C；3）盒體材質(zhì)為鈦合金，其導熱系數(shù)為8 W/(m·K)；4）陶瓷的導熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)；5）芯片接觸熱阻按安裝方式進行折合，芯片熱耗參數(shù)見表1；6）計算模型為FloEFD修正的k-ε湍流模型；7）進口流量為 0.75 L/min（最小流量）。

本文針對毫米波功放組件流道內(nèi)散熱翅片的間距、寬度、節(jié)距等參數(shù)進行數(shù)值優(yōu)化迭代，尋找到一組綜合性能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)數(shù)值仿真優(yōu)化計算得到的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 毫米波功放組件流道結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)仿真優(yōu)化迭代，本文綜合各項指標，選擇組件的散熱翅片尺寸為：翅片厚0.8 mm、翅間間距0.8 mm、單側(cè)翅片高0.55 mm（兩側(cè)流道總高1.1 mm），模塊基板厚1 mm。經(jīng)數(shù)值求解計算后，毫米波功放組件內(nèi)芯片安裝面的溫度分布云圖如圖5所示，組件進出液流阻為76.9 kPa，其流場及流阻分布如圖6所示。

圖 5 毫米波功放組件內(nèi)溫度分布云圖

圖 6 毫米波功放組件流道內(nèi)壓力分布云圖

由最終仿真計算結(jié)果可知，毫米波功放組件內(nèi)功放芯片散熱風險最大，其最高和最低安裝面溫度分別為 94.5?C和112.6?C，計算最高結(jié)溫為154.6?C，低于芯片許用結(jié)溫175 ?C，計算溫度降額為20.4?C。功放芯片為毫米波功放組件內(nèi)的關(guān)鍵芯片，其安裝面溫度最大差值為18.1?C，該差值主要與流動方向、液冷散熱流道布局以及功放芯片的布局有關(guān)。由于技術(shù)水平的限制，毫米波功放組件的工作溫度對其工作性能具有很大的影響。毫米波功放組件內(nèi)功放芯片的溫度一致性是組件結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計的難點。文中毫米波相控陣面內(nèi)無溫度補償時陣面允許的不同功放芯片的工作溫度最大溫差僅為8?C，受限于組件的結(jié)構(gòu)尺寸及體積，同時為保證組件的電氣性能，組件內(nèi)的功放芯片不能設(shè)計為純并聯(lián)的流道，因而通過提升流動均勻性來實現(xiàn)組件內(nèi)毫米波芯片工作溫度的均勻性。由數(shù)值計算結(jié)果可知，毫米波功放組件內(nèi)的不同位置芯片的溫度差值最大為18.1?C，對相控陣陣面的性能影響較大。因此，本文以功放芯片的工作溫度差值為溫度補償電路的設(shè)計依據(jù)，對組件內(nèi)的功放芯片設(shè)置溫度補償電路，根據(jù)功放芯片位置及計算溫度差值調(diào)整對應(yīng)芯片的增益數(shù)值以達到溫度補償?shù)男Ч?。本文通過溫度補償電路對不同位置的功放芯片進行溫度補償，減小由流道設(shè)計及芯片位置布局導致的溫度不均的影響，最終整個相控陣陣面內(nèi)的不同功放芯片的增益差值不超過0.3 dB。

由于毫米波功放組件內(nèi)的功放芯片尺寸極小，本身不具備溫度測試功能，而功放組件采用激光封焊結(jié)

構(gòu)，無法通過外置熱電偶等對毫米波組件內(nèi)核心芯片的實際工作溫度進行測量，因此本文通過對比組件健康管理的溫度監(jiān)測點的溫度實測值與計算值來校核數(shù)值計算結(jié)果的準確性。毫米波功放組件的芯片溫度監(jiān)測點位于組件內(nèi)功放芯片的金剛石銅載板上。相控陣陣面進行高溫環(huán)境試驗時，采用獨立的調(diào)試液冷源進行高溫試驗。供液溫度為40 ?C（液冷源供液溫度偏差±1?C），陣面供液流量為12 L/min（最小流量，液冷源流量偏差±1%），毫米波相控陣陣面內(nèi)16組組件內(nèi)溫度監(jiān)測點的試驗值與計算值的最大溫度偏差為3.2?C，最大相對偏差約為3.1%。

毫米波功放組件在相控陣內(nèi)為并聯(lián)排布，其流量特性對組件的使用及制造一致性要求具有重要的意義。為了保證冷卻液能夠被可靠、準確地分配到每個組件中，本文對毫米波功放組件的流量–阻力響應(yīng)特性進行了數(shù)值分析研究，通過對允許的最大/最小流阻進行數(shù)值求解，得到組件內(nèi)的最小/最大流量，并對比分析了功放芯片的溫度分布。

毫米波功放組件的設(shè)計流量為0.75 L/min，設(shè)計流阻為76.9 kPa，在實際制造中加工偏差、焊接影響等諸多因素會使組件一致性存有偏差，加工與制造允許組件的最高流阻偏差為±10%，即最大流阻為84.59 kPa，最小流阻為69.21 kPa。經(jīng)仿真計算可知，毫米波功放組件內(nèi)最大計算流量為0.794 L/min，最小計算流量為0.707 L/min，組件的最大流量偏差范圍為?5.73% ～ +5.87%。功放芯片在最大流量偏差條件下的安裝面溫度分布見表2和表3。

1）毫米波功放組件流阻偏差為±10%時，流量波動偏差不超過±6%；

2）毫米波功放組件內(nèi)同位置芯片因流量波動溫度的波動范圍較小，最大波動范圍為?1.4?C ～+1.2?C，平均波動范圍為?0.4?C ～ +0.4?C；

3）當毫米波功放組件流阻波動為+10%時，毫米波功放組件內(nèi)流量減少5.7%，功放芯片最高溫度上升約0.3?C，仍滿足芯片散熱設(shè)計要求，毫米波功放組件的阻力偏差（±10%以內(nèi)）對其散熱性能影響較小。

實際工作時，毫米波功放組件內(nèi)的實際流量不僅取決于組件的流量–阻力特性，也受到毫米波相控陣所在的系統(tǒng)供液管網(wǎng)的影響。通常系統(tǒng)管網(wǎng)僅具備一定限度的流量調(diào)整特性，在完成流量調(diào)整后處于被分液狀態(tài)，其流量分配波動范圍較大。本文亦對管網(wǎng)流量波動對毫米波功放組件的流量特性影響進行了數(shù)值分析。

系統(tǒng)供液管網(wǎng)的流量波動通過分機的流量波動傳遞給分機內(nèi)的通液模塊。本文設(shè)計的毫米波功放組件工作的毫米波相控陣陣面分機為系統(tǒng)的核心分機，供液管網(wǎng)的流量波動范圍為12 ～ 15 L/min，管網(wǎng)流量偏差范圍為0% ～ 25%。文中計算時以分機最低供液流量作為核心設(shè)計與計算工況。當分機供液流量趨于上限時，相控陣內(nèi)單個毫米波功放組件的平均流量為0.94 L/min，計算流阻為112.5 kPa。考慮實際加工過程中組件的流阻偏差為±10%，對應(yīng)組件的最大與最小流量分別為0.99 L/min與0.89 L/min，流量波動范圍為?5.3% ～ +5.39%，此時與管網(wǎng)供液流量區(qū)域下限時相比，毫米波功放組件內(nèi)對應(yīng)位置芯片的溫度均下降，最大溫度值為1.5?C。

同時經(jīng)對比分析及計算，當管網(wǎng)流量趨于上限供液流量時，毫米波功放組件由阻力差異導致的流量不均和溫度不均問題皆較下限供液流量時稍稍突出些。

綜上所述，本文設(shè)計的毫米波功放組件流量響應(yīng)特性較好，在組件阻力相差±10%的條件下，組件流量不均勻度小于±6%，組件內(nèi)同位置功放芯片的最大溫差不超過±1.5?C，平均溫差為±0.4?C。對于系統(tǒng)管網(wǎng)的流量波動，毫米波功放組件具備更優(yōu)異的流量響應(yīng)特性。當毫米波功放組件所處的相控陣陣面分機的供液管網(wǎng)滿足下限供液流量時，毫米波功放組件的溫度均勻性與流量均勻性隨著管網(wǎng)流量正向波動而稍稍明顯些。

本文針對某毫米波相控陣陣面設(shè)計了一種厚9.7 mm的毫米波功放組件盲插插件，實現(xiàn)了毫米波相控陣天線組陣間距為5 mm條件下毫米波功放組件的模塊化盲插結(jié)構(gòu)及液冷散熱集成設(shè)計；以毫米波功放組件內(nèi)功放芯片的計算工作溫度分布為依據(jù)，通過溫度補償電路，使得整個毫米波相控陣陣面內(nèi)組件的增益差值不超過0.3 dB；通過數(shù)值分析對毫米波功放組件的流量特性進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明組件具備良好的流量響應(yīng)特性，在組件阻力一致性相差±10%時，組件內(nèi)同位置功放芯片的溫差不超過±1.5?C。同時組件對系統(tǒng)供液管網(wǎng)的流量波動具有優(yōu)異的適應(yīng)能力，管網(wǎng)流量波動下限滿足最低設(shè)計供液要求時，組件可適應(yīng)管網(wǎng)供液流量波動范圍0% ～ 25%。本文設(shè)計的毫米波相控陣組件具備快速盲插結(jié)構(gòu)且能保證陣列的一致性與可靠性，可供大型毫米波相控陣陣列及毫米波相控陣雷達的一體化設(shè)計參考。