相控阵雷达导引头热设计技术及发展趋势

王燕玲, 陈峻山, 刘亚龙, 刘 宇, 张发洋

(上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

精确打击是现代高科技局部战争的一个突出特点,精确制导武器在其中发挥着不可替代的作用。作为精确制导领域的重要发展方向之一,有源相控阵雷达制导技术突破了传统机械扫描雷达制导在波束形状、波束驻留时间、扫描方式和数据率等方面的限制。随着国防领域对武器系统性能要求的不断提升,有源相控阵在雷达导引头上得到了越来越多的应用。

但相控阵雷达导引头也面临着越来越严酷的散热问题。一方面,导弹飞行速度越来越快,飞行时间越来越长,导弹在高速飞行的过程中,气动加热导致天线罩温度越来越高。导引头受天线罩内壁高温辐射加热,温度不断上升,因而导引头工作温度也很高。目前主要通过在天线罩和导引头之间加入隔热层、在导引头外表面涂覆低红外吸收率的涂层等措施减轻天线罩内壁对导引头的加热。

另一方面,有源相控阵雷达导引头天线发热量大、热密度高。发射/接收(T/R)组件是相控阵雷达导引头天线的核心组件,其工作时70%以上的电功率会转变为热功耗。目前,国内相控阵导引头T/R组件的热密度已经达到20 W/cm2。随着军用电子设备和微波器件向小型化、高集成方向飞速发展,未来T/R组件热密度将进一步提高。美国海军已经将T/R模块冷却的热密度近期目标定为1 000 W/cm2,而远期目标更达到8 000 W/cm2,已进入超高热流密度范围[1]。

在导弹的可用空间和导引头重量的严苛限制下,如何有效对相控阵雷达导引头天线进行散热,需要进行不断研究和探索。本文对相控阵雷达导引头天线热设计的主要技术和实现方式进行综述,并总结相控阵雷达导引头热设计的发展趋势。

1 相控阵雷达导引头天线结构及工作特点

弹载有源相控阵天线由天线阵面、T/R组件、移相衰减器、馈电网络、和差网络等组成,典型架构如图1所示。弹载有源相控阵天线的功能定位和体制与机载有源相控阵天线类似[2]。

图1 弹载有源相控阵天线典型构架

相控阵天线中天线阵面多为圆形或椭圆形,单元间距与天线工作频率有关,工作频率越高,天线单元间距越小,则T/R组件单元的间距也越小。

有源相控阵导引头天线受重量和体积的限制,热沉热容量有限,且导引头不同工况对相控阵天线的散热需求也不同。在导弹飞行状态下,相控阵天线工作时间较短,属于瞬态工作。在地面调试试验状态下,相控阵天线需要长时间工作,要求天线热稳态工作。相比飞行状态,地面调试试验时相控阵天线的散热空间可适当增加。因此,要同时兼顾飞行状态短时间瞬态工作和地面调试长时间稳态工作的需求,根据不同工况的特点和要求对相控阵天线进行综合热设计。

2 相控阵雷达导引头天线热设计

几乎所有电子产品的冷却都是首先通过热传导的方式将热量传导到自身外表面,然后通过其它方式将热量辐射到环境中。相控阵天线热设计的核心技术包含两方面:高效热传导和高效热吸收。

2.1 高效热传导

由于相控阵导引头工作初始温度较高,而T/R组件内部发热芯片最高允许工作温度为固定值,组件自身可用的结构显热较小。要求发热芯片与外部结构之间的温差尽量小,从而有效利用组件自身结构和外部安装结构件的热容。影响相控阵天线热量传递速度的主要因素是T/R组件壳体及内部材料的导热系数、T/R组件与外部模块之间的接触热阻。因此热传导技术的发展主要围绕提高导热体的导热性能、减小接触热阻两方面展开。

(1)金刚石壳体材料

T/R组件是相控阵雷达导引头中发热量最大、热流密度最大的热源。为降低T/R组件内部发热芯片与外界的热阻,国内已经尝试采用高导热金刚石/铜作为组件壳体材料[3],T/R组件金刚石/铜壳体如图2所示。金刚石/铜材料导热系数可达500 W/m·K,借此扩展传热通道,可以降低传热热阻和界面层热阻。

图2 T/R组件金刚石/铜壳体示意图

(2)导热界面材料

在高热流密度条件下,T/R组件与冷板、框架等其他模块安装时,其接触热阻对散热的影响十分显著。

导热界面材料(thermal interface materials,TIM)就是为了有效减小接触热阻而开发的一类材料,TIM对热阻的影响如图3所示。图中,RC1,RC2分别为材料热阻;dBLT为TIM厚度;kTIM为TIM导热系数;Rbulk=dBLT/kTIM为TIM热阻。热阻越大,材料1和材料2之间的温差就越大。

图3 TIM对热阻影响图

目前,相控阵天线发热电子组合常用TIM导热系数一般为(2～15)W/m·K,对于一些不经常拆装的接触面采用相变TIM,导热系数可达30 W/m·K以上。随着热流密度的不断增加,市场上出现了一些新型的TIM,如添加金属和金刚石粉末的TIM,其导热系数已接近100 W/m·K。文献[4]研究了一种表面纳米结构TIM,该材料通过自身的放热反应可以成功将芯片与导热模块焊接在一起,从而极大降低接触热阻。

(3)热管

热管是20世纪中期发展起来的。热管的发明突破了传统导热材料导热系数的限制,是导热方式的一次重大革命。热管导热系数一般比金属高一个量级,可达到(2 000～5 000)W/m·K。

热管目前已经在相控阵雷达电子设备冷却中得到了成功应用[5]。在相控阵雷达导引头天线热设计中,已有产品通过在T/R组件的安装框架内布置U型热管散热,如图4所示。热管可以提高框架导热系数,从而极大提高热量导出效率。

图4 U型热管散热示意图

2.2 高效热吸收

通过高效导热技术将T/R组件产生的热量导出后,需要再通过高效散热方式,将热量散发到环境中。在地面调试状态下,风冷和液冷散热是相控阵雷达导引头主要的散热方式;在飞行状态下,依靠热容和相变的被动散热是主要的散热手段。

(1)风冷散热

强迫风冷系统的设计原则是在额定耗散功率下,力求使用最小的驱动功率,使电子器件温度低于允许的最高安全工作温度,以确保电子器件的寿命。在调试状态下,相比于自然冷却方式,强迫风冷具备散热能力强、结构可靠、体积小、重量轻等诸多优势。在相控阵雷达导引头天线发热功率较小时,可通过外部风机对天线外表面进行风冷散热,满足天线长时间工作需求。

(2)液冷散热

相控阵天线在研制过程中要面临多种工况的热设计需求,在地面调试长时间稳态工作情况下,应用较为广泛的是液冷冷板散热方式。

相控阵天线T/R组件的阵列对温度一致性的要求较高,阵面温度不均匀会引起T/R组件相位变化,从而导致天线整体性能下降,甚至不可用。因此,液冷冷板散热需重点考虑液冷状态下阵面的均温性能。

集成流道式液冷设计集成度高,可同时满足多种工况散热需求。根据结构形式的不同,常见的集成液冷流道式冷板有框架、框架+冷板、天线安装板等三种集成流道散热方式,如图5所示。

图5 集成液冷流道式冷板散热示意图

框架集成流道散热方式的通道温度一致性较差,框架+冷板集成流道散热方式需要的金属冷板占用空间较大,而天线安装板集成流道散热方式应用较为广泛。天线安装板集成流道散热是通过将液冷流道与天线阵面框架结构集成起来,预留液冷接口,长时间调试的时候外接液冷机组进行散热。文献[6-7]分别对天线安装板集成冷板散热进行了流道优化设计。

文献[8]以某型天线T/R组件为研究对象,提出采用集中冷板与分散冷板相结合的方式进行散热。设计并分析了多种T/R组件分散冷板的热特性,提出了一种综合散热性能优异的阵列热源均温微通道冷板结构。基于T/R组件的排布特点,配合集中冷板分形流道的不对称设计,T/R组件间具有较好的温度一致性。

(3)热沉散热

在飞行状态下,相控阵雷达导引头解决散热问题的常规方法是采用热沉,即将热量快速传导给储热装置以达到局部控温的目的。因此,储热装置必须储热量大并且导热快。传统热沉以金属制成的储热装置最为常见。考虑到环境适应性、可靠性、制造工艺性、电磁兼容性和导热性等因素,铝合金的导热性、导电性、可加工性等方面有成熟的工程应用经验,密度、刚度、抗腐蚀性等各项性能均能满足相控阵雷达导引头散热的要求,是目前最常用的弹载产品热沉材料。

(4)相变散热

相变散热是指通过相变材料(phase change materials,PCMs)的相变潜热特性来实现储热和散热的方法。相变材料是指发生相变时,能够吸收或放出热量而其本身温度不变或变化不大的一种材料,也可称为潜热储能材料(latent thermal energy storage materials,LTESM)。相变过程的物态转化形式有固-固、固-液、固-气和液-气四种。在相变过程中温度近似恒定,材料吸收或者释放出的热能即为相变潜热。相变过程提供了另外一种能量转换形式。相比于金属材料,相同体积或重量的相变材料可在相变过程中吸收大量相变潜热,并保持温度相对稳定,这一特点使相变材料成为一种非常有优势的储热材料。采用相变散热有利于设备的小型化、轻量化设计,解决了传统金属热沉的热容量与体积、重量的矛盾。

导引头相变温控装置主要由壳体、增强筋换传热结构和相变材料等组成,结构如图6所示。将相变材料进行封装,制成具有储热温控功能的单元构件,可以解决狭小封闭空间、高功率、长航时工作的散热问题[9-10]。

图6 导引头相变散热温控装置结构图

3 发展趋势

随着有源相控阵雷达导引头天线T/R组件发热量越来越大,在飞行状态下采用被动散热方式将很难满足散热要求。为解决100 W/cm2以上的高热耗问题,提出了一些新的热控技术,其中多相蒸发换热、喷雾冷却等新型冷却方式,能够在流体温度不变的情况下迅速带走大量的热量。

3.1 蒸发换热

蒸发换热是将电子器件直接浸没在液态绝缘相变介质中,由发热组件耗散的热量加热相变介质,绝缘相变介质在芯片表面发生液-气相变,从而随蒸汽带走热量。浸没相变介质的蒸发换热如图7所示。

蒸发换热具有结构紧凑、换热效率高的优点,在电子散热领域具有良好的应用前景。目前浸没蒸发换热技术主要应用于服务器芯片散热。

但如将蒸发换热应用于飞行状态的相控阵雷达导引头散热,尚需解决蒸发换热绝缘相变介质的密封问题和介质的绝缘、寿命问题。

3.2 喷雾冷却

对于相控阵雷达导引头高热流密度T/R组件,在常规被动散热方式无法满足需求的情况下,必须考虑采用主动冷却方式。基于冲击射流的喷雾冷却是一种具有良好散热性能的冷却方式,如图8所示。

图8 喷雾冷却示意图

喷雾冷却[11]具有很高的换热系数。与其他散热方式相比,喷雾冷却具有散热能力强、冷却过程温差小、工质需求量小、没有沸腾的滞后性、与固体表面之间没有接触热阻等优点。目前喷雾冷却已取得了大量的研究成果,并在工程领域得到广泛应用。

6A-EB机载雷达散热系统中就使用了喷雾冷却技术。喷雾冷却被业界当作最有前景的紧凑式散热方式之一,美国某大学在实验室里已能实现最大热流密度500 W/cm2的芯片冷却。

文献[12]以某X波段相控阵雷达为例,设计了微型旋流雾化喷嘴,并将其集成到一体化冷板上,利用喷雾冷却对安装在冷板上的T/R组件进行散热,如图9所示。

图9 与冷板集成的喷雾冷却散热示意图

将机载喷雾冷却系统小型化,并与T/R组件联合进行结构优化设计,将是未来相控阵雷达导引头天线散热的又一重点发展方向。

未来相控阵雷达导引头天线冷却散热系统不仅对高新热控技术的需求会越来越大,同时将需根据不同环境特点以及工作方式,采用多种热控方式协同工作的热控技术,为相控阵雷达导引头正常工作提供良好的环境条件。

4 结论

相控阵雷达导引头天线热设计是相控阵制导的关键技术之一。本文对有源相控阵雷达导引头在实际应用和研制过程中面临的散热问题进行了探讨,根据不同工况的散热需求,提出了不同的散热解决措施。对导引头飞行状态、调试状态下的高效热传导和高效热储能技术进行了分析,为相控阵雷达导引头的热设计提供了参考。