Ka相控阵天线模块热设计研究

罗晓宇，杨则南，郝文倩，邹 磊

(中国电子科技集团公司第39研究所，陕西 西安 710065)

为满足雷达系统超大规模、高功率、高性能负载比、多平台等要求，有源相控阵向着高效率、高集成、低能耗、环境适应性强的方向发展。由于相控阵天线的高度集成，其天线阵面上分布着成百上千个T/R组件，造成天线内部的热流密度不断增加，若产生的热量不能及时排出，将导致T/R组件的性能下降甚至失效，从而直接影响天线系统的可靠性及电性能指标[1-4]。合理有效的散热技术是实现上述目标的关键问题，同时还要兼顾设备的体积和重量指标。目前国内外公开研究成果中较少涉及ka波段的相控阵天线热设计。本研究通过模块化设计思想，研制出收发分置的相控阵天线模块，针对天线模块的散热进行了研究设计，为后续大规模的使用天线模块积累技术基础。

1 相控阵天线模块系统结构设计

1.1 相控阵天线系统组成

Ka波段有源相控阵雷达的天线结构包括天线阵子、T/R组件、功分网络、控制网络、冷却系统及壳体等，天线采用互联拼接高度集成化一体设计，结构组成如图1所示。

本研究采用模块化设计方案，收发天线模块分离，均是8×8阵列。这种方法降低了加工难度，便于与载体的共形设计，后期组合使用方便。

1.2 散热方式选择

目前，电子设备常用的散热方式有自然散热、强迫风冷、冷板液冷等方法。自然散热成本低，故障率低，但只适合热耗较小的设备。强迫风冷的设计方案是将发热器件或者模块固定到散热器上，热量以传导的方式传递到散热器上，冷风经过散热器时带走热量实现对流换热。冷板液冷一般是将冷却液流道设计在金属板内，通过冷却液带走器件的热量，散热效率极高，但结构复杂[5]。天线的散热方式取决于天线的热损耗功率、集中程度、体积质量、维修性及可靠性。其中T/R组件功放芯片的工作温升及最高热流密度是相控阵天线选择的主要依据[6]。本研究中每个T/R组件有8个通道，每个通道功率为1.33 W，单片T/R组件功率为8×1.33=10.33 W，整个模块总功率约为85.33 W，功放效率为15%，冷板面积约为4 cm×4 cm的方板，故总热功率P为72.49 W。

图1 相控阵天线系统示意图

(1)

A=P/S=72.49/16=4.53 W/cm3

(2)

对于雷达空间足够并且单个热源发热密度不高的情况下，风冷以其无渗透等优点有明显优势，但对于单个热源发热密度较高并且空间有很大限制时，液冷系统就表现出了优势[7-10]。液体冷却方式适用于表面功率密度为0.3～160 W/cm2的元器件冷却[11]。本天线结构高度集中，局部热流密度偏高，根据热设计原则[12]，结合现有工艺技术，选择了液冷散热方式。

1.3 热设计方案

有源相控阵天线热设计过程中，必须考虑两个指标：一是控制T/R组件表面的最高温度；二是保证阵面所有T/R组件的温差，从而避免T/R组件性能下降甚至大面积故障失效的情况出现[13-14]。天线的热耗主要来自于T/R组件的功放芯片部位。芯片将热量传到T/R组件外壳上，由于相控阵天线的高集成度，T/R组件最大允许工作温度和组件工作时温度一致性要求成了一大难题。为此，采取的措施是在天线T/R 组件周围加冷板将热量传导到冷板上，通过外加液冷装置进行散热冷却。

如图2所示是一块天线阵列单元。 (1)减少天线体积、质量的要求；(2)模块化接口连接；(3)减少热对电气性能的影响。在T/R组件与天线线阵底座安装界面涂上导热硅脂，根据热量从高往低走的原则，T/R组件产生的热量传递到阵列天线上，若温度过高，将会引起阵列天线隔板极化器热变形，从而影响天线的电气性能。基于以上三点考虑，将天线阵列的底板作为冷板，冷板上有液流通道，流动的冷却液将T/R组件产生的热量带走，并且很好的隔离了热对前端阵列天线的影响。此冷板同时又是天线骨架的重要组成部分，须具有足够的强度和精度。

图2 天线单元线阵示意图

图3所示为冷却系统的内部走线图。天线阵面的冷却系统为冷板液冷散热，主要为T/R组件提供散热功能。由于液冷通道分布在天线壳体内部，为了防止出现液体泄露导致T/R组件损坏，在天线结构一体化设计中要考虑到冷板的密封性能。在此，先不装天线前段阵子及后端T/R组件，只将天线的液冷通道单独安装进行大气压实验，确保液冷通道的密闭性后，再重新进行整个天线的安装。另外，T/R组件的单独插拔保证了天线的可维修性。

图3 天线冷却系统示意图

2 热仿真分析

2.1 单片T/R组件结构及热分析

T/R组件的最大允许工作温度为70 ℃，天线工作时，T/R组件之间的温度一致性要求≤10%，T/R组件工作环境温度为-40～70 ℃[15-16]。T/R组件的功放芯片单元排列在射频印制板上，射频印制板安装在T/R组件的金属盒体上，其他器件因发热量极小做绝热处理，简化后的模型如图4所示。

图4 T/R组件结构图

自然冷却是采用常规空气对流的方法直接对相控阵天线T/R组件进行冷却，冷却结果如图5所示。从图5可知，T/R组件最低温度约为65 ℃，最高温度可达140 ℃以上，这已经远远超出许用温度，功率放大器烧毁的的可能性很大，因此必须采取有效的冷却方法以保证T/R组件的正常工作。

图5 自然冷却单片T/R组件温度云图

2.2 天线单元结构及热分析

自然冷却状态下单片天线单元及T/R组件的温度云图如图6所示。功放芯片将热量传递到T/R组件外壳，T/R组件外壳再将热量传递到前端的天线，导致整个天线单元表面的最高温度达到了75 ℃，这将直接影响天线的电性能。

给天线单元加液冷，液冷流道嵌入在天线底板里，流动的液体将T/R组件产生的热量带走，隔离了T/R组件与天线阵列之间的热量传输，减少了天线的电性能受温升的影响。在实际测试中，环境温度为26 ℃，用绝热材料将天线单元四周隔离，T/R

图6 自然冷却天线单元温度云图

组件表面贴温度传感器探头。T/R组件工作的同时给冷板通冷液，最终达到热平衡状态时T/R组件表面温度约为36.8 ℃。

通过仿真可得，加冷板液冷后，天线单元的表面温度快速下降至40 ℃以下，如图7所示，与实际测试结果一致。

图7 加液冷后天线单元温度云图

2.3 Ka相控阵天线模块热分析及实物

本研究最终研制出的天线模块是一个8×8即64路的方阵，8个T/R组件共64只功率放大器。在冷板液冷的散热方式下天线模块的仿真温度云图如图8所示。在典型工况下，冷却液入口温度为20 ℃，流量为300 L/h。

图8 天线模块温度云图

仿真时在每片T/R组件表面中心位置设置监测点，监测每片T/R组件工作时的表面温度，得到表1数据。Flotherm软件仿真分析验证的结果表明，随着流量的增加，天线模块的最高温度逐渐降低，可以取得理想的冷却效果；沿着冷却液的流动方向，T/R组件的温度逐渐增高，距离冷却液出口最近的T/R组件冷却效果最差。从表1数据可知，T/R组件之间的温度一致性约降2.8 ℃，冷板液冷通道完全满足T/R组件之间≤10%的温度一致性要求。

表1 T/R组件温度(环境温度：20 ℃)

图9 样机模块实物

相控阵天线模块实物如图9所示，左收右发，在实际测试中加电加液冷装置连续工作24 h以上，天线均工作稳定。

3 结束语

仿真分析和天线模块实物的测试结果均表明，该方法合理可行，可为同类天线结构的热设计提供参考。模块化设计，研制出收发分置的相控阵天线模块，既节约了成本，又为后续大规模的使用积累了技术基础。随着制造工艺和天线结构集成能力的不断提升，机、电、热一体化协同设计将在相控阵雷达中得到更广泛的应用。