鄭雪曉

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引言

相控陣天線具有掃描速度快、跟蹤精度高、抗過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但大量TR組件組陣，特別是高頻段天線(Ku頻段以上)由于其總體積小、陣元間距小、芯片效率不高［1］而導(dǎo)致的發(fā)熱量大造成了熱流密度極高。對(duì)于最新的大功率芯片來說，熱流密度已經(jīng)遠(yuǎn)超過了100W/cm2［2］。散熱成為了相控陣天線的重要問題，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于彈載天線來說，還面臨多工況問題。彈載電子產(chǎn)品由于其平臺(tái)條件限制，多數(shù)情況下無法采用強(qiáng)迫冷卻，部分產(chǎn)品平臺(tái)還會(huì)通過傳導(dǎo)或熱輻射的方式對(duì)設(shè)備加熱，因此需要在幾十秒到幾分鐘不等的時(shí)間內(nèi)對(duì)設(shè)備完成短時(shí)溫控。然而，為了滿足產(chǎn)品出廠之前的地面試驗(yàn)，他機(jī)掛飛，以及交付以后的在線維護(hù)維修，需要有一套冷卻系統(tǒng)對(duì)設(shè)備實(shí)施長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)散熱。為了保證設(shè)備技術(shù)狀態(tài)和技術(shù)穩(wěn)定性，在瞬態(tài)熱控和穩(wěn)態(tài)散熱工況切換時(shí)，不能拆卸天線陣面，因此需要設(shè)計(jì)一套可快速更換散熱器的熱控解決方案。根據(jù)文獻(xiàn)介紹［3－5］，目前相控陣天線的散熱主要還是采用風(fēng)冷以及液冷的方式，彈載相控陣天線的散熱方式采用相變材料儲(chǔ)熱器或其他熱沉形式，而考慮到使用平臺(tái)特點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)散熱和瞬態(tài)熱控不同工況下切換的熱控方案很少提及。

為了滿足彈載產(chǎn)品多工況適應(yīng)性熱控，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮相控陣組陣方案，TR組件結(jié)構(gòu)形式、散熱系統(tǒng)均要進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以滿足上述要求。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 主體構(gòu)架設(shè)計(jì)

考慮到天線陣面的熱流密度，擬采用強(qiáng)迫式液冷散熱形式。在此基礎(chǔ)上相控陣天線常用結(jié)構(gòu)模型有如下3種:TR組件兩側(cè)散熱、穿通液冷［4］以及頂部散熱，如圖1所示。兩側(cè)散熱的結(jié)構(gòu)形式主要適用于陣元規(guī)模不大、尺寸小、頻段高的設(shè)備;穿通液冷可用于大陣面，但由于液冷通道更換需拆解天線陣面，而不更換則會(huì)造成設(shè)計(jì)冗余降低彈載產(chǎn)品的可靠性;頂部散熱可用于陣元規(guī)模大的設(shè)備，但直接采用冷板液冷，則會(huì)造成冗余設(shè)計(jì)，如結(jié)合環(huán)路熱管則可較好地解決問題。本方案針對(duì)的彈載設(shè)備陣元數(shù)量在256陣，屬于小規(guī)模陣列天線，因此選用方案1。

圖1 相控陣天線陣列散熱結(jié)構(gòu)Fig.1 The radiating structure of phased－array antenna

天線陣面射頻前端由天線、TR組件、功分和差器、波控器、收發(fā)校正前端組成，天線陣面與TR組件、TR組件與功分和差器通過高頻盲插接插件進(jìn)行電氣互聯(lián)。由于陣面規(guī)模較小，考慮將和差功分器、波控器和結(jié)構(gòu)承載部件一體化設(shè)計(jì)形成多功能部件。陣面左右側(cè)設(shè)計(jì)為可更換散熱器，其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 射頻前端示意圖Fig.2 The structure of RF front－end

2.2 可更換散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，在TR組件陣列兩側(cè)面為基于楔形鎖緊導(dǎo)軌的可更換熱沉，通過結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌滑入支架當(dāng)中。鎖緊機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌與TR組件之間提供正壓力進(jìn)行鎖緊，同時(shí)提高TR組件加工精度，使外形尺寸達(dá)到±0.05mm;TR組件與安裝基面之間采用銷釘定位提高安裝精度，在換熱器與TR組件接觸處粘貼高導(dǎo)熱系數(shù)襯墊，在正壓力的作用下，填補(bǔ)TR組件外形的加工誤差，和組陣后的裝配誤差連接熱路。為了增加換熱效率，液冷模塊內(nèi)部采用“蛇”形結(jié)構(gòu)，相變儲(chǔ)熱器內(nèi)部采用“田”或“目”字結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)化傳熱，提高換熱效率?，F(xiàn)場可更換換熱器結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場可更換換熱器Fig.3 The structure of heat disspator

在地面聯(lián)式、暗室測試、他機(jī)掛飛以及交付后定期測試過程中，使用外部強(qiáng)迫液冷的形式進(jìn)行冷卻。正式交付后可在不維護(hù)陣面的情況下松開鎖緊器，從陣面前方抽出換熱器，改用相變材料儲(chǔ)熱裝置，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)瞬態(tài)溫控。由于導(dǎo)熱襯墊材質(zhì)柔軟，且有一定粘性，為易損件，反復(fù)使用后若出現(xiàn)較大變形，應(yīng)及時(shí)更換。

3 瞬態(tài)熱控方法

3.1 熱沉材料選擇

彈載平臺(tái)上通常情況沒有其他散熱條件，且工作時(shí)間不長，往往設(shè)備在未達(dá)到熱平衡之前就已經(jīng)完成工作，因此主要考慮采用熱沉散熱。相較于傳統(tǒng)金屬熱沉，相變材料由于其相變潛熱大的特點(diǎn)越來越廣地使用于電子設(shè)備瞬態(tài)熱控領(lǐng)域。本方案擬采 用 相 變 潛 熱 為171.4 kJ/kg、導(dǎo) 熱 系 數(shù)為4.525 W/m·K的石墨石蠟復(fù)合相變材料(PCM)。該相變材料是采用“液相浸滲法”，利用膨脹石墨對(duì)石蠟良好的吸附性能所制備出的石墨/石蠟復(fù)合PCM［6］，具有儲(chǔ)熱密度大、導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，且無液體泄漏和流動(dòng)問題，其相變過程體積變化小，價(jià)格相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。在吸熱過程中，相變材料溫度沒有明顯升高，卻能吸收大量熱量，非常適合在允許升溫很小的情況下的電子設(shè)備散熱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將相變材料儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)外形與液冷散熱通道結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，最終與系統(tǒng)形成相同的結(jié)構(gòu)模型。

3.2 瞬態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

由于瞬態(tài)工況下采用了PCM材料，因此在瞬態(tài)熱設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮PCM儲(chǔ)熱器的計(jì)算，從而得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(1)相變散熱數(shù)學(xué)模型

在本方案中，由于采用了石墨基復(fù)合相變PCM，可忽略固液界面流動(dòng)問題，因此描述相變簡化為建立起 PCM 熔化前比熱 Cp－solid、Cp－liquid，等效比熱Ceffective，及其融化以及熔解熱、熔點(diǎn)之間的關(guān)系，即為等效比熱法，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，h為PCM材料的潛熱，δT為PCM的相變溫度范圍。

焓法數(shù)學(xué)模型是相變散熱最常用的數(shù)學(xué)模型，由于不考慮內(nèi)熱源，其能量控制方程［7］為

固、液相溫度和焓的關(guān)系可表示為

式中，ρ為密度，h為比焓，k為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，下標(biāo)s和l分別表示固相和液相。

由于采用復(fù)合相變材料無固液界面，因此焓法的進(jìn)一步描述可表示為

等效比熱和焓法的主要區(qū)別是在能量方程中，焓法使用焓來取代原來能量方程中的溫度T，將H和T一起作為待求函數(shù)，在整個(gè)區(qū)域(包括液相區(qū)、固相區(qū)和兩相區(qū))建立一個(gè)統(tǒng)一的能量方程，利用數(shù)值解法求得熱焓和溫度分布。因此，等效比熱法控制方程可表示為

其中，溫度T和焓H的關(guān)系如下:

其中，∈定義為相變溫度范圍的一半，λ(J/kg)為相變潛熱，Hs和Hl分別為固相液相的比焓。

可見T和H都是線性關(guān)系，在數(shù)學(xué)上有相似的解。等效比熱法是直接對(duì)Cp進(jìn)行賦值處理，焓法是通過一個(gè)線性表達(dá)式，并引入H，實(shí)際上，通過對(duì)H的定義，間接地對(duì)Cp進(jìn)行了處理。

實(shí)際在數(shù)值計(jì)算時(shí)，對(duì)熔點(diǎn)位置的PCM區(qū)域材料賦予高等效比熱，并在該位置處達(dá)到一定溫度后恢復(fù)相應(yīng)PCM液相時(shí)的比熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM的模擬。采用該模型，使得數(shù)值模擬消耗大幅降低，且計(jì)算精度一般能滿足工程需求。

(2)相變材料吸熱總量計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)先判斷相變材料填入總量是否滿足要求。由于材料相變過程中，設(shè)備對(duì)外或多或少存在熱交換，因此這個(gè)過程相對(duì)復(fù)雜。工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過先進(jìn)行粗略估算后再對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而解決這個(gè)問題。估算相變材料吸熱總量可根據(jù)公式

其中，Cp1為相變潛熱，Cp2為比熱容。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 穩(wěn)態(tài)問題仿真

天線模塊中包含了256個(gè)GaAs芯片，每塊芯片的熱耗均為:發(fā)射功耗2.4 W，占空比35%;接收功耗0.2 W，占空比65%。經(jīng)過計(jì)算，穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)每塊芯片的平均熱耗均為0.97 W，整個(gè)模塊上的總熱耗為248.32 W，器件主要熱物理特性如表1所示。穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)，模塊的整體CFD模型和流道結(jié)構(gòu)分別如圖4所示，模塊兩側(cè)的流道采用直通叉流的模式。根據(jù)產(chǎn)品平臺(tái)要求，初始環(huán)境溫度均為70℃。穩(wěn)態(tài)仿真的散熱方式為液冷式，工質(zhì)選擇65號(hào)防凍液(乙二醇與水的混合物)，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)地面可能的外部溫度情況將入口處工質(zhì)溫度保持在35℃，根據(jù)熱流密度設(shè)置每根管道的水流量均為2 L/min。

表1 器件主要熱物理特性Table 1 The heat characteristics of the devices

圖4 熱仿真模型Fig.4 The model of thermal simulation

仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果Fig.5 The result of steady－state thermal simulation

芯片槽溫為仿真結(jié)果中的芯片與殼體貼合面溫度T1與單個(gè)芯片內(nèi)部溫升之和，可根據(jù)公式T=T1+θJC·W得出。由計(jì)算可知，此模組上的芯片最高槽溫依然低于150℃的極限工作槽溫，芯片可以正常工作。

4.2 瞬態(tài)熱數(shù)值計(jì)算

在與穩(wěn)態(tài)熱仿真邊界條件一致的情況下，將液冷模塊分兩次更換為普通全鋁熱沉以及加入了石墨/石蠟復(fù)合材料的相變材料儲(chǔ)熱器，分別進(jìn)行了熱仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱仿真結(jié)果Fig.6 The result of transient thermal simulation

從計(jì)算結(jié)果可以看出在140s的時(shí)間軸附近，安裝面溫度就已達(dá)到106℃，即140s時(shí)的芯片槽溫已經(jīng)接近150℃這一極限工作槽溫。因此，此種情況下模塊最多能夠工作140s。本系統(tǒng)使用PCM后，溫度隨時(shí)間增長的斜率明顯較使用鋁作為熱沉的情況較小，即溫度增加的速率較小。另外，在240s時(shí)間軸附近，芯片表面溫度已接近106.35℃，即在240s時(shí)間軸附近，芯片槽溫就已接近150℃的極限工作槽溫。因此，使用該相變材料時(shí)，該射頻前端工作時(shí)間延長了100s。

5 瞬態(tài)工況熱測試

為了方便熱測試，TR組件設(shè)計(jì)初便在中央芯片附近設(shè)置了熱傳感器，并通過引線引出。為了體現(xiàn)采用了石蠟石墨PCM的可更換散熱器的儲(chǔ)熱效果，并和仿真結(jié)果對(duì)比，特意制作了全鋁材的熱沉。熱測試時(shí)將設(shè)備置于70℃溫箱中模擬實(shí)際使用中的環(huán)境溫度，根據(jù)此類典型產(chǎn)品彈載工作時(shí)間，測試了采用全鋁熱沉和復(fù)合PCM熱沉作用下各自工作120s和200s時(shí)的中央芯片的時(shí)間溫度曲線，如圖7所示。溫度曲線較仿真結(jié)果略高，但趨勢(shì)相同，說明采用了PCM的可更換式熱沉起到了較為明顯的效果，也使設(shè)備滿足了使用要求。

圖7 熱測試結(jié)果Fig.7 The result of thermal measurement

6 結(jié)束語

在總結(jié)了大量文獻(xiàn)中有關(guān)相控陣天線散熱的方法后，本文為彈載相控陣天線多工況熱適應(yīng)性提出一種思路。采用這種方案，相控陣天線在工況切換時(shí)不用對(duì)陣面進(jìn)行大面積拆裝，使維修維護(hù)性大大提高，可以有效解決多工況可切換的彈載相控陣天線熱控問題。但是由于石墨/石蠟相變材料本身物性特點(diǎn)，使相變儲(chǔ)熱器的重復(fù)使用性較差，儲(chǔ)熱器幾次使用后需要更換其中的儲(chǔ)熱介質(zhì)才能繼續(xù)使用。

另外，由于石墨的導(dǎo)熱系數(shù)相較金屬導(dǎo)熱率系數(shù)低，

因此在更大規(guī)模的相控陣天線散熱時(shí)，其相變響應(yīng)時(shí)間較慢，成為其進(jìn)一步的應(yīng)用障礙。更大規(guī)模的彈載相控陣天線散熱問題需要綜合更多的相變儲(chǔ)熱的新技術(shù)新工藝來解決，未來環(huán)路熱管的引入以及更高導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料的綜合應(yīng)用，以及如何實(shí)現(xiàn)環(huán)路熱管與相變材料集成及更換，是下一個(gè)研究方向。

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