随着雷达技术的不断发展，毫米波有源相控阵因体积小、重量轻、扫描灵活、抗干扰等特点被广泛用于军事与民用领域。随着微电子技术的发展与进步，毫米波相控阵的系统集成度越来越高，阵面内毫米波功放组件的功耗与热流密度也在不断增加，毫米波相控阵内的组件散热集成逐渐成为阵面结构设计与实现的瓶颈问题。为保证毫米波相控阵天线具备阵面可扩展性及相控阵的可维修性，毫米波功放组件通常需要设计成薄刀片结构，但因毫米波频段天线的工作频率高，工作波长短，天线阵面的组阵间距通常小于10 mm，毫米波功放组件需要在极小的高度尺寸内实现组件的液冷散热集成，因此其结构设计及散热设计的难度远超出一般功放组件的设计难度。目前毫米波功放组件的结构设计与液冷散热设计在国内外公开的研究中涉及较少。本文通过对毫米波功放组件的结构进行优化设计，实现了在毫米波相控阵天线组阵间距为5 mm条件下毫米波功放组件的模块化盲插结构及液冷散热集成设计。

毫米波功放组件内的功率放大芯片及收发多功能芯片尺寸小，热流密度大，其热失效问题严重影响相控阵面的运行效率及使用寿命。同时毫米波相控阵内通常需要多个毫米波功放组件单件，单个阵列的不同组件的功率也不一致，而组件对工作温度一致性要求非常高，温度分布不均对电性能的影响十分显著。本文通过仿真计算的方式对不同组件内的流量分配及温度一致性进行了研究，提供了同位芯片的温度分布界限，并以此为依据，采用电气补偿电路消除或降低核心芯片温度分布的影响，提高毫米波相控阵组件的一致性与性能。

某毫米波相控天线阵的方位和俯仰阵元数分别为16 元和32 元，横向和纵向阵列间距皆为5 mm。毫米波相控天线阵需要具备可扩展性及快速维修性，天线阵面需要设计成刀片组件结构以适应阵面的快速维修。天线阵面采用液冷散热，冷却工质为AF65#防冻液，供液最小流量为12 L/min，最大流量为15 L/min，天线阵整机散热热负荷为4 750 W，毫米波功放组件部分散热功率为4 160 W，供液温度为45 ◦C。

毫米波功放组件结构设计的难点之一就是需要在极小的尺寸内集成组件内的功能芯片和电路，同时解决组件内功放芯片的散热问题。毫米波功放芯片的结构尺寸极小，功耗与热流密度较大，因此芯片的散热设计集成也成为组件结构设计的难点与瓶颈。文中毫米波相控阵的阵面组阵间距仅为5 mm，为实现毫米波相控阵的快速盲插结构集成，本文设计的单个毫米波功放组件为刀片组件结构，而毫米波功放组件在方位方向的天线阵面长度仅为80 mm，因此单个相控阵内毫米波功放组件在方位方向实行一体化设计。为将液冷散热流道集成至单个毫米波功放组件内部，同时减少天线转接插损，文中毫米波功放组件在俯仰方向上集成为2组天线阵元，既保证毫米波功放组件具有一定的厚度尺寸用于结构设计与散热集成，又保证天线与功放组件设计成一体结构，避免转接电缆带来的插损，可极大地提升毫米波相控天线阵的整体性能。综上所述，单个毫米波功放组件需要集成16 × 2 元天线，厚度方向需要小于10 mm（2倍组阵间距），本文设计的毫米波功放组件的最终主体厚9.7 mm。

整个毫米波相控天线阵总共包含16 × 32 元阵元，需要拆分设计为16个毫米波功放组件，单个功放组件的散热负荷为260 W，单个组件的设计标称流量为0.75 ～ 0.94 L/min，系统中毫米波功放组件位于液冷散热流路的前端，根据液冷流量选择通径为3 mm的液冷盲插连接器。

为实现毫米波相控阵的快速维修，毫米波功放组件需要设计成盲插结构。由于组件可用的盲插液冷连接器的外部尺寸超过单个毫米波功放组件的厚度尺寸，因此结构设计时，组件的盲插结构也成为组件设计的结构难点之一。本文首先对单个组件整体结构进行优化改进，采用镜像扣合结构实现组件的盲插结构集成设计。单个毫米波功放组件的结构如图1所示，两个组件扣合集成后的结构如图2所示。

图 1 毫米波功放组件结构示意图

图 2 毫米波功放组件扣合结构示意图

毫米波功放组件内部主要散热芯片参数见表1。为提升毫米波功放组件内核心芯片的散热能力，组件内开关芯片与功放芯片采用共晶安装在金刚石铜载板上，其余芯片粘贴至0.45 mm厚的陶瓷电路片上。芯片主要排布结构如图3所示。

表 1 主要散热芯片参数

图 3 主要散热芯片分布示意图

采用商用FloEFD软件进行仿真分析，对设备物理模型进行简化后开展仿真与计算。其主要边界条件设置如下：1）冷却工质为AF65#冷却液；2）进液温度为45 ◦C；3）盒体材质为钛合金，其导热系数为8 W/(m·K)；4）陶瓷的导热系数为0.5 W/(m·K)；5）芯片接触热阻按安装方式进行折合，芯片热耗参数见表1；6）计算模型为FloEFD修正的k-ε湍流模型；7）进口流量为 0.75 L/min（最小流量）。

本文针对毫米波功放组件流道内散热翅片的间距、宽度、节距等参数进行数值优化迭代，寻找到一组综合性能较优的结构参数，经数值仿真优化计算得到的最终结构如图4所示。

图 4 毫米波功放组件流道结构示意图

经仿真优化迭代，本文综合各项指标，选择组件的散热翅片尺寸为：翅片厚0.8 mm、翅间间距0.8 mm、单侧翅片高0.55 mm（两侧流道总高1.1 mm），模块基板厚1 mm。经数值求解计算后，毫米波功放组件内芯片安装面的温度分布云图如图5所示，组件进出液流阻为76.9 kPa，其流场及流阻分布如图6所示。

图 5 毫米波功放组件内温度分布云图

图 6 毫米波功放组件流道内压力分布云图

由最终仿真计算结果可知，毫米波功放组件内功放芯片散热风险最大，其最高和最低安装面温度分别为 94.5◦C和112.6◦C，计算最高结温为154.6◦C，低于芯片许用结温175 ◦C，计算温度降额为20.4◦C。功放芯片为毫米波功放组件内的关键芯片，其安装面温度最大差值为18.1◦C，该差值主要与流动方向、液冷散热流道布局以及功放芯片的布局有关。由于技术水平的限制，毫米波功放组件的工作温度对其工作性能具有很大的影响。毫米波功放组件内功放芯片的温度一致性是组件结构散热设计的难点。文中毫米波相控阵面内无温度补偿时阵面允许的不同功放芯片的工作温度最大温差仅为8◦C，受限于组件的结构尺寸及体积，同时为保证组件的电气性能，组件内的功放芯片不能设计为纯并联的流道，因而通过提升流动均匀性来实现组件内毫米波芯片工作温度的均匀性。由数值计算结果可知，毫米波功放组件内的不同位置芯片的温度差值最大为18.1◦C，对相控阵阵面的性能影响较大。因此，本文以功放芯片的工作温度差值为温度补偿电路的设计依据，对组件内的功放芯片设置温度补偿电路，根据功放芯片位置及计算温度差值调整对应芯片的增益数值以达到温度补偿的效果。本文通过温度补偿电路对不同位置的功放芯片进行温度补偿，减小由流道设计及芯片位置布局导致的温度不均的影响，最终整个相控阵阵面内的不同功放芯片的增益差值不超过0.3 dB。

由于毫米波功放组件内的功放芯片尺寸极小，本身不具备温度测试功能，而功放组件采用激光封焊结

构，无法通过外置热电偶等对毫米波组件内核心芯片的实际工作温度进行测量，因此本文通过对比组件健康管理的温度监测点的温度实测值与计算值来校核数值计算结果的准确性。毫米波功放组件的芯片温度监测点位于组件内功放芯片的金刚石铜载板上。相控阵阵面进行高温环境试验时，采用独立的调试液冷源进行高温试验。供液温度为40 ◦C（液冷源供液温度偏差±1◦C），阵面供液流量为12 L/min（最小流量，液冷源流量偏差±1%），毫米波相控阵阵面内16组组件内温度监测点的试验值与计算值的最大温度偏差为3.2◦C，最大相对偏差约为3.1%。

毫米波功放组件在相控阵内为并联排布，其流量特性对组件的使用及制造一致性要求具有重要的意义。为了保证冷却液能够被可靠、准确地分配到每个组件中，本文对毫米波功放组件的流量–阻力响应特性进行了数值分析研究，通过对允许的最大/最小流阻进行数值求解，得到组件内的最小/最大流量，并对比分析了功放芯片的温度分布。

毫米波功放组件的设计流量为0.75 L/min，设计流阻为76.9 kPa，在实际制造中加工偏差、焊接影响等诸多因素会使组件一致性存有偏差，加工与制造允许组件的最高流阻偏差为±10%，即最大流阻为84.59 kPa，最小流阻为69.21 kPa。经仿真计算可知，毫米波功放组件内最大计算流量为0.794 L/min，最小计算流量为0.707 L/min，组件的最大流量偏差范围为−5.73% ～ +5.87%。功放芯片在最大流量偏差条件下的安装面温度分布见表2和表3。

1）毫米波功放组件流阻偏差为±10%时，流量波动偏差不超过±6%；

2）毫米波功放组件内同位置芯片因流量波动温度的波动范围较小，最大波动范围为−1.4◦C ～+1.2◦C，平均波动范围为−0.4◦C ～ +0.4◦C；

3）当毫米波功放组件流阻波动为+10%时，毫米波功放组件内流量减少5.7%，功放芯片最高温度上升约0.3◦C，仍满足芯片散热设计要求，毫米波功放组件的阻力偏差（±10%以内）对其散热性能影响较小。

实际工作时，毫米波功放组件内的实际流量不仅取决于组件的流量–阻力特性，也受到毫米波相控阵所在的系统供液管网的影响。通常系统管网仅具备一定限度的流量调整特性，在完成流量调整后处于被分液状态，其流量分配波动范围较大。本文亦对管网流量波动对毫米波功放组件的流量特性影响进行了数值分析。

系统供液管网的流量波动通过分机的流量波动传递给分机内的通液模块。本文设计的毫米波功放组件工作的毫米波相控阵阵面分机为系统的核心分机，供液管网的流量波动范围为12 ～ 15 L/min，管网流量偏差范围为0% ～ 25%。文中计算时以分机最低供液流量作为核心设计与计算工况。当分机供液流量趋于上限时，相控阵内单个毫米波功放组件的平均流量为0.94 L/min，计算流阻为112.5 kPa。考虑实际加工过程中组件的流阻偏差为±10%，对应组件的最大与最小流量分别为0.99 L/min与0.89 L/min，流量波动范围为−5.3% ～ +5.39%，此时与管网供液流量区域下限时相比，毫米波功放组件内对应位置芯片的温度均下降，最大温度值为1.5◦C。

同时经对比分析及计算，当管网流量趋于上限供液流量时，毫米波功放组件由阻力差异导致的流量不均和温度不均问题皆较下限供液流量时稍稍突出些。

综上所述，本文设计的毫米波功放组件流量响应特性较好，在组件阻力相差±10%的条件下，组件流量不均匀度小于±6%，组件内同位置功放芯片的最大温差不超过±1.5◦C，平均温差为±0.4◦C。对于系统管网的流量波动，毫米波功放组件具备更优异的流量响应特性。当毫米波功放组件所处的相控阵阵面分机的供液管网满足下限供液流量时，毫米波功放组件的温度均匀性与流量均匀性随着管网流量正向波动而稍稍明显些。

本文针对某毫米波相控阵阵面设计了一种厚9.7 mm的毫米波功放组件盲插插件，实现了毫米波相控阵天线组阵间距为5 mm条件下毫米波功放组件的模块化盲插结构及液冷散热集成设计；以毫米波功放组件内功放芯片的计算工作温度分布为依据，通过温度补偿电路，使得整个毫米波相控阵阵面内组件的增益差值不超过0.3 dB；通过数值分析对毫米波功放组件的流量特性进行了数值分析。结果表明组件具备良好的流量响应特性，在组件阻力一致性相差±10%时，组件内同位置功放芯片的温差不超过±1.5◦C。同时组件对系统供液管网的流量波动具有优异的适应能力，管网流量波动下限满足最低设计供液要求时，组件可适应管网供液流量波动范围0% ～ 25%。本文设计的毫米波相控阵组件具备快速盲插结构且能保证阵列的一致性与可靠性，可供大型毫米波相控阵阵列及毫米波相控阵雷达的一体化设计参考。