面向电性能的天线冷板综合优化设计

摘要

有源相控阵天线(APAA)阵面存在大量对温度敏感的T/R组件，且T/R组件内部随机分布数量众多的发热器件，阵面温度分布不合理将严重影响天线相位控制精度，同时热变形也会导致天线单元的方向图发生改变，使电性能达不到要求甚至无法实现，因此，高效的 APAA散热系统必不可少。液冷冷板作为一种高效成熟的换热设备，可以有效解决 APAA的散热问题，在电子设备热设计方面的应用有着广阔的前景。
　　首先，本文提出了一种基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法。此种方法的具体设计步骤为：第一，确定有源相控阵天线 T/R组件中发热器件的位置参数，采用添加辅助点与优先经过热源的思想设计冷板流道的拓扑形状，得到天线冷板几何模型，并建立天线阵面有限元模型；第二，根据有源相控阵天线 T/R组件中各个发热器件的热耗等参数，计算天线阵面的温度场分布，分析阵面由热引起的结构变形以及由温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差，并且计算有源相控阵天线的电性能；最后，根据增益的指标是否达到要求，通过修改流道截面的几何参数重复以上步骤来确定出最优的有源相控阵天线冷板的设计方案。
　　再者，文中针对航空电子模块轻量化的要求，对某天线冷板进行了面向轻量化的热优化设计。主要的设计方法可以概括为：分析该冷板模型的特点，对模型进行简化处理；在优化前期通过对该模型进行散热参数影响机理分析，来确定冷却液的入口位置和热优化中将要选用的冷却液的类型；确定散热参数以后，把冷板的质量作为优化目标，通过分析各个变量对质量的影响大小来确定设计变量，进而确定数学优化模型并选取合适的优化方法，使该冷板在满足热设计要求的基础上，达到质量最轻的目的。在此模型中，通过对冷却液的入口流速和冷却通道截面直径进行优化，使天线冷板的质量减轻了0.279kg。
　　最后，分析了有源相控阵天线中 T/R组件温度对阵列天线电性能的影响，具体包括最高温度和温度一致性两方面对天线电性能的影响。通过分析可知不同类型的 T/R组件对天线电性能的影响是不同的，且有源相控阵天线在进行散热设计时最高温度要求和温度一致性要求都是以保证天线电性能为出发点确定的。通过具体分析可知Ku波段、X波段和L波段对T/R组件最高温度的要求分别为73℃、82℃和89℃，对T/R组件温度最大允许温差的要求分别为3.95℃、5℃和8℃。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相控阵天线热设计国内外研究现状

1.3 冷板散热设计国内外研究现状

1.4 本文主要内容

第二章 电子设备冷板散热设计与分析基础

2.1 电子设备传热学基础理论

2.2 电子设备冷板散热设计

2.3 电子设备冷板散热分析基础

2.4 本章小结

第三章 基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法

3.1 有源相控阵天线结构及热特性

3.2 基于器件位置的冷板流道设计

3.3 基于器件位置的冷板流道应用分析

3.4 本章小结

第四章 面向轻量化的天线冷板的热优化设计

4.1 天线冷板模型特点分析

4.2 散热参数影响机理分析

4.3 面向轻量化的天线冷板的热优化

4.4 本章小结

第五章 T/R组件温度对阵列天线电性能的影响分析

5.1 T/R组件温度对有源相控阵天线电性能的影响

5.2 阵列天线中T/R组件的温度要求

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果