有源相控阵雷达天线散热设计

热设计网 2020-04-12

1 概述

有源相控阵雷达天线是一种通过改变阵列天线中每一个天线产生电磁波的相位与幅度，从而使指定方向上电磁波加强，其他方向电磁波减弱，来实现波束扫描的一种器件。

一台有源相控阵雷达天线由m个子阵组成的，每个子阵有n个天线单元通道，每个天线单元上接有一个T/R组件，T/R组件由低噪声放大器、高功率放大器、移相器、T/R开关等功能电路组成，各器件均会产生热量，其中以T/R芯片发热最多。

图一

2 结构

有源相控阵天线基本结构，如下图所示，其中TR组件阵列为主要的发热源，冷板为主要散热器件，周围的金属结构件为辅助散热器件。

图二

3 散热方案

有源相控阵雷达天线功率密度大，因体积和重量限制，散热条件恶劣。根据工作条件的不同，分为稳态条件热设计和瞬态条件热设计，分别对应长时间连续工作和短时间间断工作。

3.1 长时间连续工作

对于需要长时间连续工作的设备而言，散热设计的思路为：将有源相控阵雷达天线内部热量通过合适的方式导出，通过散热装置（水冷、风冷等）将热量散发到空气中，其热量传递的路径为：

水冷：芯片（热源）---腔体（支撑芯片）---冷板（水冷换热板）---导热液---换热器---空气

风冷：芯片（热源）---腔体（支撑芯片）---散热器（位于TR组件阵列下部）---空气

顺利将腔体的热量转移到冷板或散热器是整个方案的关键，常用的方式包括铝板导热、热管导热、VC板导热、石墨片导热等。

对于采用水冷散热方案的设备，利用VC技术将水冷板做成均热板直接插入到各T/R通道的腔体中是理想的导热方式，但水冷板结构复杂，对加工工艺有较高要求。同时，水冷散热的方案结构较繁琐，涉及到管路密封、冷却液防冻等，在高空使用具有一定的风险，通常仅在地面使用的设备中采用这种方案，导热液采用专业防冻液或乙二醇防冻液。

而对于采用风冷散热方案的设备，一般采用热管将腔体热量导入到具有翅片的散热器上，再通过风扇强迫冷却散热器的方式，将热量散发到空气中，因有源相控阵雷达天线发热功率大，对风扇和散热器也提出了更高的要求，通常采用风冷散热的设备噪音也较大。

3.2 短时间间断工作

对于短时间间断工作的设备，对应瞬态条件散热设计，散热设计思路为：将有源相控阵雷达天线内部热量通过合适的方式尽可能导出到冷板和设备金属结构件上（通常为铝合金AL6063），通过金属结构件较高的比热容吸收热量，分散在芯片腔体上的能量密度，降低芯片温升。其能量传递路径为：

芯片（热源）---腔体（支撑芯片）---冷板、金属结构件

降低传热热阻、增大整个设备金属件的重量和比热容是整个散热方案的关键，因有源相控阵雷达天线对整机尺寸和重量都有很高的要求。故降低传热热阻和选用比如容大的材料是主要的改善方向。通常选用高导热率的界面材料、热管、石墨片、内埋热管的冷板、采用VC技术的冷板来降低传热热阻。选用比热容较大的铝合金材料作为金属结构件，如条件适合也可在冷板中预封装水，以提高冷板的比热容，相同的升温条件下吸收更多热量。

理论计算时采用公式：

Q=mcp*δT

来计算金属件、冷板及腔体的温升。

采用公式：Δt=Q*δ/λA 来计算传热路径上各点的温度，进而计算出芯片的温升。或通过热仿真软件瞬态计算模式进行仿真分析。

3.常用散热器件

均热板:俗称VC板，是一种利用介质相变传热原理，可在二维方向上高速传递热量的器件，用其代替传统的铝冷板，具有热阻小，传热效率高的优势。同时，可在内部加工流道，实现水冷换热。