某机载有源天线结构布局及散热设计

2021-07-02蔡香伟马寅飞

通信电源技术 2021年5期

蔡香伟，马寅飞

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

机载有源相控阵雷达具有系统效率高、多功能、多波束、扫描速度快、抗干扰能力强以及可靠性高等优点，逐渐成为机载雷达的主要发展方向[1-7]。受载机平台限制，机载雷达的轻、小型化已成为一种迫切的需求，而雷达的小型化会使得产品的单位热流密度增加，从而增加热设计的难度[8-10]。

基于某机载雷达研制的任务需求，本文设计了一种有源相控阵天线，针对可扩充阵列模块和低功率射频单元等主要热源，分别采用液冷和强迫风冷方式解决系统的散热问题。

1 系统概述

机载有源天线结构如图1所示，主要由天线、反射板、可扩充阵列模块、低功率射频单元、天线框架及馈电网络等设备组成。系统工作时，可扩充阵列模块和低功率射频单元热耗较大，自然散热无法满足其散热要求。因此，在进行结构排布时需重点关注这两部分的散热设计。

图1 有源天线结构

2 可扩充阵列模块

可扩充阵列模块是有源天线阵面的核心，它的体积、重量以及发热量在整个天线系统所占比例最大，因此要求SAM体积尽量小，重量尽量轻，散热最佳。

可扩充阵列模块的安装示意如图2所示。反射板上设置水分配器和静压腔，可扩充阵列模块从反射板的背面插拔装卸，其电连接器和液冷连接器均采用盲插形式安装在反射冷板背板上。为保证盲插性能，其壳体上机械接口、电接口以及液接口的位置精度要求较高，其中定位精度要求最高的是液接口，因此在进液和回液水接头附近分别布置一个定位销。

图2 可扩充阵列模块安装示意

一个可扩充阵列模块包含4个TR组件，每个TR具有8个有源通道。TR组件两两并排，然后背靠背安装在可扩充阵列模块的冷板上。根据TR组件的热源分布，在冷板上合理布置水道，可以有效解决TR的散热问题。液冷冷板内嵌肋片和流道结构示意如图3所示。

图3 液冷冷板内嵌肋片和流道结构示意

3 低功率射频单元

低功率射频单元示意如图4所示。其内容包括窄带接收、数字收发、模拟收发、频率合成及接收电源等。低功率射频安装在带有空腔的背板上，背板通过法兰及阻尼铰链安装在天线框架背部。

图4 低功率射频单元

由于载机平台提供的液冷流量有限，只能确保可扩充阵列模块的散热。为保障任务设备能进行有效冷却，低功率射频单元采用强迫风冷和传导散热为主，结合自然散热的方案。低功率射频单元背部风机如图5所示，在背板的背部设计风道，热量通过背板传导到散热翅片上，再通过风扇吹风将热量带走。

图5 低功率射频单元背部风机

低功率射频单元风冷工作原理如图6所示。电子设备与安装有密集散热翅片的冷板接触，散发的热量通过热传导的方式传递至翅片上，通过风机吹风，以对流换热的方式带走电子设备的热量，从而控制电子设备各器件的温度。

图6 低功率射频单元风冷工作原理

4 热设计

利用ANSYS Icepak热分析软件分别对可扩充阵列模块和低功率射频单元开展仿真分析，根据软件建模及天线特点，对模型进行简化处理，忽略螺钉孔及倒角特征，忽略辐射散热因素。

冷板的散热能力除了和冷板结构有关，还和冷却液的供液温度以及流量有关系，冷板的散热效果随着供液温度的降低和流量的增加而增强，但是供液温度和供液流量也受其他条件限制。如为防止阵面凝露，供液温度不应低于空气露点温度等。供液流量的增加将会导致流阻的大幅度增加，经优化设计每块冷板供液流量取值为0.5 L/min。为了验证该冷板的实际散热效果，在供液温度为35 ℃、供液流量为0.5 L/min的工况下，分析可扩充阵列模块流动和传热仿真，TR温度云图如图7所示。