某有源相控阵天线冷板散热仿真分析

来源：科学与技术    作者：蒋瑞  高天一      
关键字：相控阵雷达  天线冷板  散热仿真  

本文根据某机载相控阵雷达天线舱内的空间布局，对天线冷板进行了结构设计，并运用有限元体积法的Icepak软件对三维模型进行散热效能仿真，对仿真结果进行分析，验证了冷板的结构设计满足了相控阵雷达天线阵面发热插件通风散热要求。

1 某机载雷达相控阵的构成

    机载相控阵雷达主要由T/R组件、波控网络、天线振子、电源、天线阵面、馈电网络等部分组成。其中T/R组件是整个天线的核心以及发热集中区域，因此如何将T/R组件工作时产生的热量散发至外部环境成为热设计的关键与难点。

2 天线阵面热仿真

    2.1 天线阵面模型建立及简化

    对于本模型，在进行散热分析时，主要关注的是T/R组件基板上高功率芯片的发热量以及冷板散热能力，其他细小零件对整体模块的散热的影响不大进行了省略处理；对冷却流体工质联接导管、冷却工质进出口、T/R组件等直接或间接影响散热能力的部件进行模型简化分析。

    根据天线阵面冷却系统技术参数：环境温度：50℃；流体介质：65#防冻液；流体温度：35℃，可以得到天线阵面热边界参数如表1：

表1 天线阵面热设计边界条件

    表中T/R组件进出口温差为串联支路的温差，其余皆为单个。

    根据天线舱内的空间布局，以及上表中的热边界条件，对冷板进行了结构设计并建立ICEPAK模型如图1所示。

图1 雷达阵面热仿真模型布置图

    2.2 热仿真结果分析

    对模型进行三维散热效能仿真建模，其仿真条件：介质为65#防冻液，介质温度=35℃，环境温度=55℃，总功耗为15KW，系统总流量为2.048m3/h。

    天线阵面温度分布云图见图2：

图2 天线阵面温度分布云图

    仿真结果：流体平均温度=48.5℃，流体出液温度=53.12℃，流体平均速度=0.048m/s，流体最大速度=0.35m/s，固体平均温度=55.4℃，固体最高温度=55.4℃。

    由结果可知，在热功耗为15KW时，入液温度35℃时，天线阵面表面最高温度为55.4℃。热设计符合天线阵面的散热要求。

3 预处理分机箱仿真验证

    在Icepak仿真分析软件中建立预处理分机箱的简化模型，进行网格划分与计算。

图3 分机舱风速矢量图

图4 波控分机与频率源分机发热插件壳体表面温度云图

    由图3可知，经过导风罩与600W液冷盘管换热器的配合，冷风能均匀流经发热插件。图4表面最高温度均不超过65℃，满足发热插件通风散热要求。

4 结论

    本文对某机载有源相控阵雷达的冷板进行了结构设计并进行热仿真，对仿真结果进行了分析，同时在预处理分机箱内进行了仿真验证，仿真结果表明，天线冷板满足天线阵面散热通风的要求。

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