某相控阵天线T/R组件的热分析

梅斌 田少阳 石金彦

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

某相控阵天线T/R组件的热分析

梅斌 田少阳 石金彦

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

针对相控阵天线液冷系统存在的问题，提出采用热管进行热传导的冷却方式。建立了某型相控阵天线T/R组件的模型，运用Comsol Multiphysics分别对T/R组件进行自然导热冷却和热管导热冷却的仿真分析。仿真结果表明：对相控阵天线T/R组件冷却而言，热管热传导的冷却方式不仅具有良好的冷却效果，而且还解决了传统液体冷却接插头漏液，管理维护难的问题。

相控阵天线；热管；冷却仿真

1 研究背景

T/R组件作为相控阵天线的核心部件，其性能决定相控阵天线的优劣。相控阵天线往往有成千上万个T/R组件。T/R组件在获得高发射功率的同时，产生了大量的热损耗。T/R组件受体积、重量、可维护性等因素的限制，组件模块内功放部分和电源模块布局非常紧凑，因此组件的热流密度较大［1］。如果组件热损耗不能及时散发出去，随着温度的升高，组件内的功率晶体管等元件的效率、寿命、可靠性等会急剧下降。因而，热设计是T/R组件设计的重要内容。

目前，相控阵天线T/R组件的冷却方式主要有强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却等。应用广泛且技术比较成熟的是强迫风冷和液体冷却。对T/R组件中大功率器件的散热而言，液体冷却比强迫风冷的效果好。但相控阵天线系统中T/R组件数量庞大，使液体冷却系统设备非常复杂、冷却液接头多且极易发生部分接头漏水等［2］。热管作为一种新型的传热元件，依靠自身内部工作液体相变来实现传热，其具有高效、安全、可靠等优点，在笔记本电脑等高度集成电子设备中已经得到广泛应用，但在相控阵天线中应用的研究较少。本文基于有限单元法，运用仿真软件Comsol Multiphysics对T/R组件在隔板导热冷却和隔板内热管导热冷却的方式下进行仿真分析，以寻找相控阵天线T/R组件更加高效、安全、可靠的冷却方式。

2 T/R组件的结构和工艺设计

T/R组件主要由双工器、AD/DA板、盒体等组成。AD/DA板上分布着发热器件，盒体中间是AD/DA板的隔板，AD/DA板上的发热器件与隔板有良好的热接触，见图1。隔板内部布置有热管，热管长度延伸至盒体两端的导热块。导热块同时作为固定端，与液冷骨架采用螺钉紧固，见图2。导热块与液冷骨架有良好的热接触。

AD/DA板上的发热器件（DA板上的器件分布情况与AD板上类似，热耗统计见表1和表2）贴装在隔板上，见图3。器件所产生的热量通过预埋在的隔板里的热管，将热量有导向性地传导至隔板两端的导热块上。导热块将热量传导给与其紧固的液冷骨架上，液冷骨架内部循环流动的冷源将热量带走，以实现T/R组件的冷却。液冷骨架作为相控阵天线阵面的骨架，采用焊接方法与基座相连，相邻两个骨架件水流反向。

表1 AD板热耗统计

表2 DA板热耗分析

图1 T/R组件的构成

图2 T/R组件与液冷骨架的连接

图3 发热器件在AD板上的分布

3 T/R组件冷却仿真及其分析

每个T/R组件有84个主要发热器件，其正反面贴装在铝制隔板上，总热耗约62W（详见表1和表2）。由于各主要发热器件发热量差别不大，将总热量均布在各发热源上。为了使仿真环境更加符合相控阵天线的实际运行情况，首先运用仿真软件Comsol Multiphysics将每4个T/R组件组成1个子阵进行仿真，然后再增加组件数量进行仿真。设定环境温度为55℃，组件最高工作温度为70℃。

3.1 单个T/R组件子阵的热分析仿真

设定液冷骨架进出口17.14L/min（相控阵天线冷却系统总流量240L/min，共有14根液冷骨架），选用冷却液为46℃的20%乙二醇，液冷骨架和隔板均为6063铝合金，网格划分为308万个。

由图4可知，布置热管的4个组件间温差最大为0.5℃，其中最高表面温度为57.84℃。单个组件热源分布区域温差约为4.6℃。热源经过预埋在隔板上的热管有导向性的传导至液冷骨架上。

图4 布置热管的4个组件表面温度云图

由图5可知，未布置热管的组件，大多数热源的热量在隔板上无法良好导出，导致表面最高温度达69℃，比布置热管的最高温度高了12℃。同时，每个组件的均温性差，组件表面局部温差21℃。

图5 未布置热管的4个组件表面温度云图

3.2 T/R组件子阵在阵列面环境下的热分析仿真

在计算资源允许的情况下，通过研究更多组件经液冷骨架上冷却后的温度，可以得出较为合理的组件热流路径、热管布局及合适的冷却液流量和温度。受计算资源和时间的限制，仿真出了16个组件（即4个子阵）的散热情况。仿真边界条件与4个T/R组件子阵仿真时相同，网格划分为900万个。

由图6可知，布置热管的16个组件间温差最大为1℃，其中，最高表面温度为58.59℃。单个组件热源分布区域温差约为6℃。

图6 布置热管的16个组件表面温度云图

由图7可知，未布置热管的16个组件最高表面温度为70.68℃。比布置热管的组件高出了12℃，每个组件的均温性差，组件表面温度差高达22℃。

图7 未布置热管的16个组件表面温度云图

4 结论

通过对液冷骨架上安装4个到16个T/R组件进行热分析仿真，可以得出以下结论。

①4个T/R组件的热量通过热管传导至液冷骨架上时，组件最高温为57.84℃，组件表面局部温差4.6℃，组件间的温差约0.5℃。如果不布置热管，组件表面温度会达69.93℃，组件表面局部温差21℃。因此，布置热管的隔板具备较大的传热能力和较高的等温性。

②T/R组件通过串联形式安装在液冷骨架上，冷却液会随着向前流动，不断带走之前组件的热量，其温度逐步升高。由于相邻两个骨架内冷却液流向相反，因此，串联在液冷骨架中间部分的组件温度会因为冷却液的温度升高而提高，这是组件间温差的主要原因。16个组件温升约为2℃。根据推算，60个组件（液冷骨架布满组件）温升约5℃，整个阵面最高温度约61℃，能满足系统温度的要求。

③通过对某型相控阵天线T/R组件的仿真分析可以看出：仅依靠隔板将热量传递到液冷骨架上，并不能保证T/R组件的可靠运行。热管技术在T/R组件中的应用，不仅可以满足冷却效果，而且简化设备，解决了传统液冷系统漏液现象，同时提高了相控阵天线系统的可靠性和机动性。

［1］高玉良，万建岗，周艳.新一代有源相控阵雷达T/R组件热设计［J］.武汉理工大学学报，2009（44）：91-93.

［2］曹良强，吴钢，王怀.相控阵雷达T/R组件冷却仿真研究［J］.制冷技术，2008（8）：37-40.

Thermal Analysis of The Phased Array Antenna T/R Modules

Mei BinTian ShaoyangShi Jinyan
（The 27th Research Inst.of CETC，Zhengzhou Henan 450047）

Aiming at the problem in the liquid cooling system of phased array antenna,using heat pipe for heat con⁃duction is presented.The model for the T/R module of phased array antenna is established.Comsol multiphysics is applied to analyze natural cooling and heat pipe cooling for T/R module.The simulation results show that heat pipe cooling not only has a good cooling effect but also solves the problem of the traditional liquid leakage and the difficul⁃ty of management and maintenance for T/R module.

phased array antenna；heat pipe；cooling simulation

TN821.8

A

1003-5168（2017）08-0071-03

2017-07-01

梅斌（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：电子机械工程。