基于S型与Z型流道冷板的有源相控阵天线热设计研究

摘要

有源相控阵天线的热设计已经是其整体设计中的一个重要内容。由于天线阵面上分布着成千上万个排列紧凑的 T/R组件,因此造成的散热空间小、天线阵面热流密度大,若元器件产生的热量不能及时散出,就会造成热量的积聚,导致天线阵面温度持续升高,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。正是由于以上问题,有源相控阵天线热设计也面临着极大的挑战。现在天线主要通过冷板进行散热,但是冷板设计仍然存在诸多问题,其中冷板散热能力无法满足T/R组件热流密度的增长的要求已经成为最为主要的问题,而T/R组件散热也成为天线热设计的关键。本文在总结国内外冷板设计技术发展现状的基础上,提出了S型与Z型矩形截面冷板,并对其传热特性进行了理论分析和仿真分析。
　　本文通过对 S型流道与 Z型流道冷板进行设计以实现对有源相控阵天线 T/R组件的温度控制。S型流道的设计方法为:首先根据四通道 T/R组件发热器件的分布,设计出相应的 S型流道拓扑结构,并对芯片最高温度以及压降进行理论校核;建立不同截面宽度的冷板三维模型并进行仿真分析,从仿真分析结果可知截面宽度为3.5 mm时散热效果最好;其次,选用截面宽度为3.5 mm、不同浓度乙二醇水溶液作为冷却液,对 S型流道冷板进行仿真分析,分析结果表明质量浓度为65％时冷板散热效果最好;最后,采用截面宽度为3.5 mm、溶液浓度为65%的不同波纹形状的流道冷板以及微通道冷板进行仿真分析,仿真结果表明加微通道的 S型流道冷板散热效果最好。Z型流道的设计方法为:首先根据四通道 T/R组件的发热器件分布,设计出相应的传统 Z型流道拓扑结构,通过仿真分析发现其不足之处,并提出3种新的 Z型流道拓扑结构进行仿真分析,确定加微通道的阶梯出入口 Z型流道冷板散热效果最好。此外,本文提出了一种应用于多个发热源随机分布的 Z型流道的设计方法,并利用该方法分别对4组随机分布的芯片进行Z型流道设计,通过仿真分析证明 Z型流道对于不同的发热芯片分布形式都具有良好的散热能力。本文通过对 S型流道与 Z型流道冷板的设计和仿真分析,为有源相控阵天线冷板的流道结构设计提供了参考,具有重要的工程应用价值。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 冷板设计国内外研究现状

1.3 有源相控阵天线热设计关键问题

1.4 本文的主要工作

第二章 有源相控阵天线热设计与分析基础

2.1 热设计理论与方法

2.2 有源相控阵天线仿真软件介绍

2.3 小结

第三章 基于 S 型流道的四通道 T/R 组件散热设计

3.1 引言

3.2 有源相控阵天线结构及其热特性

3.3 面向四通道 T/R 组件的 S 型流道热分析

3.4 小结

第四章 基于 Z 型流道的四通道 T/R 组件散热设计

4.1 引言

4.2 基于 Z 型流道的四通道 T/R 组件热分析

4.3 基于芯片位置随机分布的 Z 型流道设计

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作总结

5.2 存在的问题及工作展望

致谢

参考文献

研究成果