某相控阵雷达T/R组件热仿真与热测试

刘继鹏 赵晓东 陈福媛 李宜筠

(西安电子工程研究所 西安 710100)

某相控阵雷达T/R组件热仿真与热测试

刘继鹏 赵晓东 陈福媛 李宜筠

(西安电子工程研究所 西安 710100)

本文以有源相控阵天线为主要研究对象，对其散热需求进行仿真分析，以14个 T/R 组件组成结构体作为满阵天线散热的最小散热单元，分别验证铸铝ADC12和锻铝6063两种材料的T/R单元在风道内的散热情况。通过仿真分析和试验验证证明，该雷达总体热设计方案完全能满足实际工作要求。该种散热方法对类似设备的整体热设计有一定的参考价值。

风冷；有限体积法；热设计

Abstract: Taking active phased array antenna as an object, requirement for its heat dissipation is simulated and analyzed. Heat dissipation of T/R modules made of two materials like cast aluminum ADC 12 and of wrought aluminum 6063 in air duct is verified respectively by taking architecture composed by 14 T/R modules as minimum radiating unit of full array antenna heat dissipation. The radar overall thermal design scheme can meet requirement of practical operation, this is proved by simulation analysis and test verification. This heat dissipating method provides certain reference value for overall thermal design of similar equipment.

Keywords：air cooling; finite-volume method; thermal design

0 引言

随着有源相控阵天线的发展，尤其是在军用领域内大量的应用，有源相控阵天线上的热设计已经成为其整体设计中一个重要内容。由于阵面上分布着大量的排列紧凑的 T/R 组件，造成天线内散热困难，引起 T/R 组件性能下降甚至失效，从而造成天线电性能恶化[1～9]。

本文根据某有源相控阵雷达对固态发射组件散热的要求，基于传热学和计算流体力学，建立流热耦合数学模型，研究了一种典型在相控阵雷达中常见的风冷散热问题，即基于小空间多流阻情况下风冷散热设计中的结构参数与流体参数，为合理工程设计提供设计依据，并试验验证了设计方案的可行性。

2 T/R组件热仿真分析

2.1 T/R组件热仿真分析模型

2.1.1 T/R组件风冷机柜结构

14个T/R组件组成天线的最小散热单元，见图1。风机抽风，每两个T/R组件由一个进风口供风，冷风由进风口进入在组件内部与将两个串联组件内部的T/R单元的翅片上的热量带走。

图1 T/R组件风冷机柜

2.1.2 T/R组件热仿真模型

将上述并联的7组T/R组件只取一排，在flotherm中建立的热仿真模型见下图2，仿真模型中的风机风量为原风机的1/7，风机风压不变。

2.2 flotherm有限体积法

本文通过flotherm电子热设计仿真软件对该T/R组件进行热仿真分析，在flotherm中的采用有限体积法来计算流场内的温度、压力和流速。(图3为一维X向单向体积网格示意图)

图2 双T/R组件组成的热仿真模型

图3 X向单向体积网格示意图

有限体积法的微分表达式见式1和式2

连续性表达式：

(1)

温度场表达式：

(2)

连续性表达式的单向X向表达式中，体积单元为Vp=δxδyδy，X向面积Ax=δyδz

其中

那么连续性表达式在X向表达式为：

(3)

同理，温度场全表达式：

(4)

由于连续性表达式也可表述为：ap=at+alx+ahx

(5)

那么引入通配符φ，则三维的温度场通式为[10]：

apφp=alxφlx+ahxφhx+alyφly+ahyφhy+alzφlz+ahzφhz+altφlt+S

(6)

而flotherm求解域内的单个网格的温度代数方程可以写为[11]

其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为相邻网格的温度值，T0为上一个迭代步此网格的温度值，C1、C2、C3、C4、C5、C6为系数，S为网格内的源项。在flotherm中的残差计算式如下：

(7)

整个求解域的温度残差值总残差R为RT=∑|rT|(8)，速度和压力的残差值与温度残差值的定义类似。

通过设置参数终止计算残差值来求解解算域内的温度场和流体场，当残差收敛不随迭次数发生变化时认为仿真模型求解收敛。本文中的仿真模型收敛曲线见下图4

2.3 仿真结果分析

从仿真分析结果可以看到(见下图5)，靠近出风口的T/R单元的最高温度为74℃，与环境温度之间的温差为19℃。最靠近出口处T/R单元温度为72.3℃，温差17.3℃。(T/R单元盒体材料为ADC12)

图4 收敛曲线

图5 仿真分析结果

3 T/R组件热测试试验验证

3.1 两种壳体T/R单元热测试对比试验

单体T/R单元测试时(见下图6)，在两级功放管芯片的壳体上布置热电偶，并通过热成像采集仪(FLIR E40)对盒体内部的工作时温度场分布来判断最高温度点。

分别记录两种壳体(一个是铸铝ADC12，一个是锻铝6063，以下分别简称铸造齿和铝挤齿)T/R单元加载开始时间，与加载后的温升，在到达最高温度稳定后断电，得到两种壳体T/R单元单体正常工作时的最高温升。(环境温度23.6℃)两者在到达稳态后点温仪的测试结果见表1。

图6 单体T/R组件对比试验

铝挤齿T/R盒体铸造齿T/R盒体温度53.2℃58.1℃温差29.6℃34.6℃

3.2 半实物测试工装下T/R组件热测试(铸造齿)

常温下两个T/R组件测试(含16个铸造齿模块)。

环境温度18.5℃； 测试时间：40min； 测试设备：点温仪 (见下图7)

图7 铸造齿热测试试验

出风口处T/R单元DDS驱动芯片AD板芯片中间T/R单元FPGA温度34.932.831.13337.5温升16.414.312.614.519

从表2可以看出离出发口最近的T/R单元功率管壳体上的温升为16.4度，与仿真结果吻合，但出风口与组件中间单元的均温性相差近2度。

3.3 半实物测试工装下T/R组件热测试(铝挤齿，风机不变)

常温下两个T/R组件测试(含8个铝挤齿模块及8个铸造齿模块，8个铝挤齿在出风口处布置)。

表3 铝挤齿测试结果

从表2可以看出离出发口最近的T/R单元功率管壳体上的温升为11.2度，挤压齿的温升比铸造齿的温升降低了5度左右，但模块的均温性只相差0.9度。

4 结论

从仿真分析结果和试验验证不仅验证了T/R组件采用风冷散热方式是可行的，同时研究了不同参数下对T/R组件散热的影响，为仿真分析在工程热设计进一步应用提供了依据。

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ThermalSimulationandDesignofT/RmoduleforaPhasedArrayRadar

Liu Jipeng， Zhao Xiaodong， Chen Fuyuan， Li Yiyun

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN95

A

1008-8652(2017)02-085-04

2017-03-12

刘继鹏(1972-)，男，高级工程师。研究方向为电子、热仿真技术。