微/小通道冷板在某型相控阵天线上的对比分析*

翁 夏

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

微/小通道冷板在某型相控阵天线上的对比分析*

翁 夏

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

微通道换热是近年来电子机械工程抗恶劣环境研究的热点之一。由于其具有良好的换热特性，现在逐渐被应用于高热流密度电子设备的冷却散热系统设计之中。相控阵天线具有热源集中、热流密度极高等特点。文中将新型微通道冷板与某型相控阵天线进行有机结合，提出了一种新的相控阵天线冷却方式。同时，通过基于有限体积法的仿真分析表明，微通道冷板相较于小通道冷板更有利于控制天线中T/R模块的温度。

微/小通道冷板；相控阵天线；流动特性；有限体积法；传热分析

引 言

伴随着微机械与电子技术的高速发展，微电子机械系统(MEMS)取得了长足的进步。在20世纪80年代中期，单元微电子集成芯片上集成106个基本元件；到本世纪初，芯片上的集成元件数量己经增长到了惊人的108个[1]。随着单元芯片集成元器件数量的增加，工作过程中的发热量也随之剧增，而这些热量形成的高温环境极大地降低了IC器件的性能，甚至引起系统的崩溃。在这种情况下，微通道凭借其良好的换热特性开始走进了各项高热流密度的电子工程项目。已有一些文献对微通道的换热性能做了理论上的分析[2-3]。

相控阵天线在现代军事电子领域具有相当重要的地位，其进步除了依赖有关电子器件的发展以外，同时也依靠于有关结构工艺技术的进展[4]。由于相控阵天线阵面往往具有相当高的热流密度，因此，热控技术成了制约其发展的瓶颈问题。传统的相控阵天线一般使用液冷方式，采用阵面冷却或冷板冷却的方式对其温度进行控制。国外也有文献探讨过这类冷却方式[5]。

如果将相控阵天线和微通道冷板进行有机结合，则有望进一步突破相控阵天线高热流密度的瓶颈，探索出一条相控阵天线新型热控技术的道路。本文拟对小通道冷板与微通道冷板进行基于有限体积法的热和流动数值仿真，并通过对比分析其计算结果，对新型微通道冷板在相控阵天线上的应用进行探讨。

1 相控阵天线及其冷板结构

某相控阵天线的发热模块主要为T/R组件模块和电源模块(如图1所示)。

图1 某相控阵天线的发热模块结构

冷板安装在发热模块的两侧，结构如图2所示。冷板均采用3A21铝合金，使用螺装的方式进行安装。该冷板流道分为上下两个部分：上部主要冷却T/R组件模块，下部主要冷却电源模块，外形尺寸为113.5 mm×110.3 mm。冷板使用65#防冻液(乙二醇的水溶液)作为工质，在内部穿通流动。

微/小通道冷板在设备上的安装方式完全一致，冷板内部流道的腔体面积也完全相同，仅在通道尺寸和数量上存在差异。本文通过控制结构的一致性来保证对比分析的有效性。

图2 冷板结构

冷板参数如表1所示。该表中，流道水力直径采用4×面积/周长计算得出。由表可见，微通道冷板的流道水力直径为小通道流道水力直径的39.38%。

表1 微/小通道冷板结构参数对比

2 数值模拟及分析

2.1 计算原理

本文拟采用FloEFD for NX进行数值模拟。FloEFD同其他商业流体仿真软件类似，也采用有限体积法作为基本的计算思想。有限体积法将计算域划分为很多控制体，以节点来代表控制体，将控制方程在控制体上作积分并导出离散化的方程。用此法导出的离散方程可以保证是守恒的，其积分形式的守恒方程为[6]

式中，从左至右的4项依次为：瞬态项、对流项、扩散项和源项。Ω代表FVM方法当中的控制体；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

2.2 边界条件

对于小通道冷板和微通道冷板，以下边界条件的设定是一致的。环境温度按照70 ℃进行设置；冷板入口工质(65#防冻液)流量为1 L/min，温度为35 ℃；每个T/R组件模块的热耗为12 W，热耗赋于模块内部的芯片上；电源模块的热耗为50 W。

2.3 数值计算结果

2.3.1 流场分布

小通道和微通道的流道仿真结果见图3和图4，分别对应速度场和压力场计算结果。从计算结果来看，小通道中的最高流速为2.8 m/s，微通道中的最高流速为4.5 m/s，微通道的最高流速约比小通道提高了60.7%；小通道的压损为26 628 Pa，微通道的压损为70 150 Pa，微通道的压损约比小通道提高了163.4%。整体来看，虽然微通道的压损较高，但同样由于压损较高的原因，使得其速度分布比小通道更好。

图3 流道速度场计算结果

图4 流道压力场计算结果

2.3.2 模块表面温度场

微/小通道的T/R组件模块表面温度分布如图5所示。采用小通道的模块表面温度分布在41 ℃～44 ℃范围内，采用微通道的模块表面温度分布在36 ℃～37 ℃范围内。可见，使用微通道冷板后，模块表面温度得到了明显的抑制，模块表面热点温度相较于液体工质入口温升下降了77.4%。而且，T/R组件模块的表面温度分布更加均匀，这有利于提高相控阵天线的相位一致性指标。

图5 T/R组件模块表面温度分布

2.4 冷板换热面传热学分析

冷板的换热面结构如图6所示，流道底面面积相等，面平均对流换热系数为

式中：Q为通过换热面的换热量；A为换热面积；ΔTavg为换热面两端平均温差，通过数值计算中两端网格的传热温差得出。

图6 冷板换热面结构

根据仿真结果，该换热面上的传热学参数统计如表2所示。由表2可知，采用微通道冷板之后，面平均对流换热系数提高了21.72%，面平均热流密度提高了25.97%。因此，使用微通道后，对流换热系数有了显著提高，导致换热热流密度上升，平均温度下降。

表2 换热面上的传热学参数统计

3 结束语

本文使用外形尺寸同小通道冷板完全一致的微通道冷板，在边界条件等同的情况下对某相控阵天线进行了对比分析，得出以下结论：

1)从流动的角度看，使用微通道冷板后流道的压损上升、流速加快并且流动分布更好；

2)从传热的角度看，使用微通道冷板后对流换热系数显著上升，从而能够更好地控制设备内部发热模块的温度。

从结构设计的角度来看，由于微通道具有更小的水力直径，因此可以考虑在重量和体积上进一步优化。同时，由于其在有限空间内具有良好的设计性，因此可以与天线进行一体化设计以达到结构功能集成的目的。从发展趋势来看，微通道冷板具有优良的流动和传热特性，将在未来的相控阵天线上得到越来越多的应用。

[1] 颜晓红. 微细通道内流动沸腾的实验和理论研究[D]. 北京: 中国科学院工程热物理研究所, 2006.

[2] KANDLIKAR S G. Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 26(2): 389-407.

[3] LIU D Y, WENG X, XU X G. Experimental study on the heat transfer coefficient of water flow boiling in mini/microchannels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, 35: 1932-1937.

[4] 张光义, 赵玉洁. 微电子机械系统在相控阵天线中的应用[J]. 电子机械工程, 2004, 20(6): 1-13.

[5] LAGE J L, WEINERT A K, PRICE D C, et al. Numerical study of a low permeability microporous heat sink for cooling phased-array radar systems[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, 39(17): 3633-3647.

[6] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1988.

翁 夏(1987-)，男，助理工程师，主要从事电子设备热设计工作。

Comparison Analysis of Micro/Mini-Channel Cold Plate on a Phased Array Antenna

WENG Xia

(SouthwestChinaInstituteofElectronicsTechnology,Chengdu610036,China)

Heat convection in micro-channel is one of the focused research points in the field of anti-adverse environment in electro-mechanical engineering. Micro-channel heat convection is gradually applied to cooling systems of high heat flux electronic equipment because of its good heat transfer property. Phased array antenna has the characteristics of concentrated heat source and extremely high heat flux. A new type of micro-channel cold plate and a type of phased array antenna are organically integrated, and a new cooling method for phased array antenna is presented. Meanwhile, according to the numerical simulation based on finite volume method (FVM), micro-channel cold plates are more advantageous than mini-channel cold plates for controlling the temperature of T/R modules in antenna.

micro/mini-channel cold plate; phased array antenna; flow characteristics; finite volume method (FVM); heat transfer analysis

2014-06-05

国防基础科研重点项目(JCKY2013210B004)

TK124;TN821+.8

A

1008-5300(2014)05-0016-03