弹载相控阵天线系留液冷散热设计与优化分析

杨科，郭威威

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099）

精确制导武器已逐渐成为现代战场的杀手锏。面对复杂多样的目标，隐身性、强电磁干扰成为敌方突防的重要技术手段。相控阵天线能够显著地提升导弹的抗干扰、杂波抑制能力，具有波束捷变以及多波束能力，可以实现多批次目标跟踪[1]。天线散热设计是雷达结构设计中的重要环节，对天线系统的工作可靠性具有重要意义。此外，阵面散热设计是否合理直接关系到系统的整体结构方案，且一定程度上决定了产品的任务成功率[2]。

随着航空电子设备的飞速发展，舱内电子产品的体积功率密度越来越大。例如，某些雷达天线部件中使用的芯片的热流密度已达到甚至超过300 W/cm2。美国GEC研究表明，随着电子元器件及电子设备温度的升高，其失效率呈指数增长。一般来说，环境温度每升高10 ℃，失效率就增大1倍以上，因此也称为10 ℃法则[3-4]。据美国空军研究统计，导致电子设备失效的主要因素中，温度过高引起的失效超过55%[5]。因此，如何有效降低设备中元器件或组合部件的温度，早已成为提高产品可靠性设计的重点和难点[6]。液体冷板作为一种高效成熟的冷却设备，在民用和军用领域得到了广泛的应用[7]。

对于传统的散热设计方法，经验性和继承性的设计往往占较大比重。工程师大多通过类比或应用简单有限的经验公式进行粗略的设计计算和分析，相似型号提供的有效数据对设计的总体思路有很大影响。再者就是通过预留较大的设计余量来满足实际的热设计要求。由此，虽然在一定程度上满足了热设计要求，但造成了设计资源的严重浪费。整体来看，产品的功能性和可靠性并没有达到最优，甚至还会影响整个系统总体方案的实施，最终导致设计反复迭代，研制周期过长。因此，在雷达结构热设计中，选取高效合理的散热设计手段及方法显得越来越重要[8]。

目前电子设备热设计中较为流行的一种设计方法是借助CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真软件，对总体方案进行热仿真分析，为设计者提供直接的设计参考。尤其针对流固热耦合的液体冷板的散热问题，流体域和固体域均不能单独计算求解，也无法单独描述流体运动和固体现象的变化。因此，合理利用CFD仿真分析工具能够达到事半功倍的效果。文中针对某型导弹天线的系留状态作为散热设计和仿真分析的对象，分析确认系留液冷方案能否满足产品的系留测试要求；保证内部发热芯片最高温度控制在允许的温度范围内，达到设计要求；同时对制定的系留测试液冷方案进一步地优化。

1 问题提出

相控阵天线主要由天线线阵、液体冷板、TR模块、天线电源等多个部分组成。其中，TR模块为主要发热源，在末制导段满载工作时往往能达到数千瓦的功率。此外，相控阵天线受到天线电源的热耦合影响，仅仅依靠液冷板及天线框架作为冷端散热，会使整个天线的热设计难度大大提高。系留飞行试验主要用于评估导弹目标探测及跟踪性能，其费用昂贵、试验困难。因此，在单次飞行试验中，尽可能多地进入目标区域并对目标实施探测具有重要意义。面对长时间的性能测试，大功率相控阵天线必须要借助其他高效的散热方式来保证该部件的正常工作而不发生热失效。

天线总体散热结构布局如图1所示，冷却液从冷板底部流入，在冷板内部完成对TR模块的紊流散热后，经冷板底部流出；之后进入天线电源内部流道进行散热；最后经电源侧面出口流出。此散热设计的目标是确保相控阵天线在40 ℃的环境条件下，在系留飞行测试试验中，依次进行3个循环周期，每个周期满功率发射工作90 s，断电冷却10 min，天线模块底板温度不超过110 ℃。

图1 天线散热结构布局 Fig.1 Layout of antenna cooling structure

位于天线T/R模块内部底板前端的大功率芯片如图2所示，发热芯片满功率工作时，必须通过底部散热基材将热流迅速导入外壳，否则热失效的风险极大。散热方案选用的冷却液热物性参数见表1。

表1 冷却液热物性参数 Tab.1 Thermophysical parameters of coolant

图2 发热芯片位置 Fig.2 Position of heating chip

相控阵天线结构设计和液冷方案能否满足文中面临的主要散热分析问题的要求？系留测试费用昂贵、困难多，系留测试方案若满足要求，是否存在进一步完善的空间[9-10]？

2 液冷散热设计

天线冷板内部冷却液的流量q为[5]：

式中：q为冷却液流量，L/min；Q为总损耗，W；C为冷却液比热，J/（kg·℃）；ρ为冷却液密度，kg/m3；Δt为冷却液温升，℃，一般取5～8 ℃。

冷板表面的换热系数h1为[5]：

式中，A为换热面积（将发热面积定义为冷却区域的面积），cm2；Tmax为冷板表面允许的最高温度，℃；Tout为液冷板的出口温度，℃。

考虑到功能性和结构设计的局限性，无法将发热芯片集成到液冷板内部，只能通过热传导的方式，将模块内部热量传导至液冷板，通过对液冷板散热来达到给芯片散热的目的。这无疑增加了芯片与液冷板之间散热通道的热阻，因此，需要尽可能地提高液冷板的散热效率，以降低模块壳体的温升。

将相关材料物理特性带入式（1），经过分析确定Q=2700 W，Δt=12 ℃，计算得到q=3.4 L/min。

根据天线结构设计参数，初步确定A=180 cm2，Tmax≤90 ℃，Tout≤70 ℃，计算得到h1=0.5 W/(cm2∙℃)。要保证天线模块壳体最高温度不超过110 ℃，冷板换热系数不低于0.5 W/(cm2∙℃)，传统的液冷散热器考虑增加顺排或叉排散热柱（当量直径de>1 mm），便可满足散热使用要求[11]。

3 热仿真分析

由于涉及有限元瞬态分析的问题，冷板内部有非均匀分布的散热柱，且结构本身非常复杂，难以通过 解析法进行预估。因此，通过数值仿真计算，可以得到对冷板内部流场及温度场的变化情况。在数值仿真计算时，需要作如下简化和假设。

1）采用瞬态计算模式，认为冷板入口流速均匀。

2）冷却液为理想的牛顿流体。

3）热辐射的影响忽略不计。

4）外边界为自然对流。

基于FloEFD软件进行CFD建模，然后对相控阵天线进行数值仿真分析。由于天线模型比较复杂，为了减小数值仿真的计算量，提高计算效率，对三维模型进行合理的简化：1）删减或修补安装螺纹孔和倒角等细节部分；2）对热分析结果影响较小或者无影响的部位进行修改简化。

3.1 基本参数设定

仿真计算前，FloEFD软件按照如下边界条件进行设定。

1）辐射。选择OFF，即忽略辐射。

2）流动特性。选择层流和湍流。

3）瞬态分析。选择ON，即进行瞬态分析。时间设定为三个周期，2070 s。

4）入口边界条件。冷却液入口温度为40 ℃，入口水流速为2.5 L/min。

5）壁面边界条件。默认外壁面热交换系数为5 W/(m2·℃)。

6）环境温度设置为40 ℃，固体初始温度设置为40 ℃。

相控阵天线的主要结构材料为3A21铝合金。TR模块发热芯片为简化模型，其物理参数均做均匀化处理，通过外壳主要封装材料的热物属性，等效模拟芯片的热传导系数及比热容。材料的详细参数见表2。

表2 结构材料热物性参数 Tab.2 Thermophsical parameters of structural materials

3.2 运行仿真计算

在芯片部位设定体积目标，以监测芯片的温度响应情况；为了监测天线模块壳体外表面的最高温度，在16通道底板中间部位设定表面目标，以监测关键部位的温度响应情况。

根据边界条件的要求，设定入口流量为2.5 L/min，出口压力为0.3 MPa，占空比为40%，收发工作90 s后，断电冷却10 min。共进行3个周期的仿真计算，每个周期加电90 s后，16通道底板、芯片及出口流体的温度值见表3。关键监测点的温度变化如图3所示。

表3 每个周期加电90 s末关键监测点温度值 Tab.3 Temperature values of key test points at the end of 90 s power-on for each cycle

图3 关键监测点温度变化 Fig.3 Temperature change curves of key test points: a) 16-channel backplane and chip temperature change; b) outlet fluid temperature change

3.3 后处理结果分析

根据计算结果可知，每个周期加电90 s后，16通道底板（中间）的温度均低于110 ℃。因此，导引头的液冷散热设计满足40%占空比，工作90 s，断电10 min的边界条件。经过3个周期的测试，水箱中流体温度最终超过54 ℃，温升约14 ℃。

图3a可以看出，液冷散热方案仍存在一定的完善空间。例如，在每个周期约400 s时，天线模块的壳体温度已经降至45 ℃左右的较低水平，在后续断电冷却将近300 s的时间内，温度无明显变化。因此，若每个测试周期节省300 s，按照40%占空比、加电90 s后断电的冷却方案，可以在原有总时间内，至少完成5个周期的测试；可以在成本不变的情况下，显著提高系留测试的效率。

采用FloEFD软件自带的后处理工具，处理整个天线系留流体系统的流动迹线图，模拟天线系留过程中流体的运行状态。液冷板内部流体流速分布情况如图4所示。

由图4可以看出，由于内部结构复杂，流体速度减弱明显甚至停滞。如线框区域的液冷板流道内存在流体运动死区，会降低液冷散热效率。因此，需要考虑液冷板内部结构设计的合理性。

图4 天线液冷板流速分布 Fig.4 Velocity distrbution of liquid cooling plate for antenna

4 结论

1）基于有限元数值仿真计算，可以在产品设计 早期得到产品的内部温度场分布以及关键元器件的温度，并快速分析出产品热设计存在的短板，针对问题及时予以修改，通过较少的设计迭代，满足产品的技术要求。

2）基于FloEFD模拟相控阵天线的空中系留条件，分析了天线在40%占空比发射、工作90 s、断电10 min、三个周期内的温度响应情况。仿真结果表明，流体出口处水温线性升高，天线模块壳体在每个周期内的温度最高点均低于110 ℃的温度极限，热设计能够满足空中系留测试试验的要求。

3）对比原测试方案，在系留总时间不变的情况下，可将测试周期提升至5个。