Ka-EHF频段相控阵天线结构-热一体化设计方法

张济良,肖 松,张 宙,孟凡达

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引言

随着通信技术的发展,高频段相控阵天线的使用需求逐渐增加[1]。但高频相控阵天线通道间距小、结构紧凑、热耗集中,其结构设计与热设计的优劣直接影响相控阵天线性能,同时由于某些任务需要,天线在体积、重量受限的同时往往还有防水要求,从而进一步提高了结构、热设计的难度。

现有文献对风冷相控阵天线的研究多集中在频段较低的相控阵天线,由于低频段相控阵通道间距大,可在天线内部直接设计散热结构、风道,但由于与外界连通,使得结构不再防水密封,或者需要在内部T/R组件等模块上进一步增加密封结构,导致重量增加[2-5]。针对Ka-EHF相控阵天线结构-热一体化设计问题,提出了一种模块化垂直分层风冷相控阵天线结构,并进行了力学、热学仿真分析。

1 结构-热一体化设计

Ka-EHF频段相控阵天线,要求同时具有发射、接收以及抗干扰功能,结构上要求小型化、轻量化、具有密封防水性能,主要组成包括天线阵列、有源射频组件、对应的功分网络、综合控制板等。综合考虑系统组成以及任务需求,贯彻通用化、模块化的设计思想,采用自顶向下的方法进行多级模块化设计,提出一种模块化垂直分层风冷结构,从上到下依次为射频层、散热层、控制层,通过物理隔离散热层的方式使得相控阵在有效散热的同时其功能区保持密封,结构框图如图1所示。

图1 Ka-EHF相控阵天线结构

1.1 射频层设计

射频层内安装天线阵面、Ka频段发射有源射频组件、EHF频段接收有源射频组件、EHF频段抗干扰有源射频组件、对应的功分网络,外侧罩有天线罩,其中Ka频段发射有源射频组件采用背靠背安装方式,组件之间设计导热板,将热量有效导至散热层;EHF频段接收有源射频组件在两侧设计结构弯板,在保证强度的同时,增加导热面积。组件与功分器的射频连接接口采用侧出形式,通过盲插互联的形式实现电气互联。EHF频段抗干扰有源射频组件热耗相对较小,在其底部设置安装法兰,直接安装于射频层结构件上。

1.2 散热层设计

由于散热需要保证良好的散热通路,需要散热位置尽可能的靠近热源位置,因此将散热层置于整个相控阵天线中部,散热层上部直接安装组件,组件与散热层之间均匀涂抹导热脂以减小热阻。

对所需的散热面积以及风机风量进行估算,其中散热面积通过下式估算:

A=φ/hΔT

(1)

式中,φ为热耗(W);h为强迫风冷对流换热系数,根据工程经验取60 W/(m2·K);A为对流换热面积(m2);ΔT为冷空气与散热位置之间温差,根据工程经验初设为20 ℃。

根据式(2)对风机风量进行初选:

Q=cmΔT

(2)

式中,Q为热耗(W);c为空气比热容;m为质量流量;ΔT为空气温度变化差值,根据工程经验初设为10 ℃[6]。

天线整体热耗36 W,根据式(1)与式(2),可得所需换热面积约为0.03 m2,风机流量不小于0.2 m3/min。为了保证系统具有足够的可靠性,兼顾整体尺寸、重量的分配,实际散热面积设计为0.044 m2;风机选型时考虑到工作点流量小于最大流量,因此风机最大流量选择上应留有余量,选择风机最大流量为0.63 m3/min,防护等级IP68。

1.3 控制层设计

控制层内集成一块控制板,包括电源转换模块与波束控制模块,其中的电源转换模块和FPGA芯片需要单独散热,设计时其与金属结构直接相连,并在两者之间增加柔性导热垫,保证良好的热接触。控制层与射频层需要低频电气连接,常用的低频连接形式主要有垂直互连和采用电缆组件连接的方式,垂直互连能够最大限度地节约空间,但是在受到较强的振动冲击时,这种连接方式存在安全隐患,因此采用电缆组件连接的方式,对振动冲击有较强的耐受力,增加系统的可靠性。但由于散热的需要,散热层置于射频层与控制层之间,因此电缆组件需要跨层实现电气互联,通过开设电缆组件密封通道的方式实现射频层与控制层之间的互联,为了保证功能层之间的密封性,电缆组件通道独立于散热层开放通道之外。

2 力学仿真分析

为了验证Ka-EHF相控阵天线的的结构强度,对相控阵天线进行随机振动分析。在进行随机振动分析之前,需要先进行模态分析得到固有频率和振型。为保证随机振动分析的有效性,需要模态分析频率覆盖随机振动分析的频率或有效质量达到90%以上,本次分析中提取前四十五阶的模态分析结果,其中天线结构模态的前三阶模态如图2所示。

在模态分析的基础上,对结构进行随机振动分析,随机振动谱为宽带加窄带形式,具体施加的随机振动功率谱密度值:宽带15～2 000 Hz,功率谱密度为0.01 g2/Hz,第一个窄带中心频点为75 Hz功率谱密度为0.1 g2/Hz、其余频点为150 Hz、225 Hz、300 Hz,按-6 dB/oct降低。

在随机振动激励下,得到X、Y、Z三个轴向的天线结构3σ应力云图,如图3所示。

参照仿真结果可知,Y向随机振动时应力最大为20.8 MPa,出现在结构框架位置,结构框架材料为铝合金5A06,许用应力为270 MPa,经公式(3)计算得安全裕度为7.6>0,满足使用要求。

(3)

式中:M.S为安全裕度;σb为材料的极限强度;f为安全系数,取1.5[7]。

3 热学仿真分析

Ka-EHF相控阵天线要求在高空55 ℃环境下正常工作,将简化好的模型导入仿真软件中,验证有源射频组件芯片,控制板上电源转换模块、FPGA芯片的温度是否满足要求,以及风道设计是否合理,其中要求有源射频组件芯片≤100 ℃,电源转换模块、FPGA芯片≤85 ℃。

仿真结果见表1,各主要元器件温度分布如图4—图7所示。由表1可知,热设计具有足够余量,满足温度要求。

表1 热学仿真结果表

图4 抗干扰有源射频组件温度云图

图5 发射有源射频组件与网络温度云图

图6 接收有源射频组件温度云图

图7 控制板温度云图

4 结束语

本研究针对高频段相控阵天线结构-热一体化设计,提出了一种模块化垂直分层的密封结构,解决了相控阵天线在有效散热的情况下防水密封以及复杂的电气互联问题,并通过力学仿真与热学仿真,验证了设计的正确性,为同类相控阵天线设计提供参考。