有源相控阵天线微通道冷却技术研究

摘要

有源相控阵天线在军事和民用上的应用越来越广泛，由于天线阵面上分布着成千上万个T/R组件，它们排列紧凑，散热空间小，这使得天线阵面的热流密度很大，若这些热量不能及时从天线阵面带走，会导致天线阵面温度升高，引起T/R组件性能下降甚至失效，从而影响天线电性能，导致雷达性能恶化。因而有源相控阵天线的热设计直接关系到天线的电性能指标，并最终影响有源相控阵雷达的探测、跟踪等性能。由于天线阵面热流密度不断增长以及高可靠性要求，其冷却技术也面临着极大的挑战。天线热设计面临许多问题，如冷板流道形式单一，我国现有冷却能力落后于未来T/R组件热流密度的增长，冷却系统庞大、复杂，重量大等。本文在总结国内外冷板、微通道技术以及热控技术发展现状的基础上，对矩形微通道冷板传热特性及其在有源相控阵天线中的应用进行了分析。
　　本文仿真分析过程为，首先使用Pro/E进行微通道冷板建模，然后利用ICEMCFD划分网格、ANSYSCFX-Pre进行前处理、CFX-Solver进行求解，最后使用CFX-Post进行后处理。本文分析了微通道结构参数（微通道宽度、高宽比和占空比）不同的矩形微通道冷板的传热特性，得到各结构参数对冷板换热系数的影响规律，从而确定矩形微通道各结构参数的合理取值。在此基础上又分析了流体入口条件（入口温度和入口速度）对冷板散热特性的影响，确定了合适的入口条件。然后将所得结论应用于相控阵天线的热设计，分析了直入直出型、直角S型和圆角S型三种形式的矩形微通道冷板的散热效果。仿真结果表明，当T/R组件热流密度为3521W/m2，微通道截面形状不变时，采用三种形式的微通道冷板散热后，T/R组件表面最高温度分别为39℃，27℃和27℃，最大温差分别为17℃，5℃和5℃，这表明直角S型和圆角S型微通道冷板的散热效果优于直入直出型微通道冷板，但由于实际加工时无法加工出直角S型微通道，因而工程中应采用圆角S型微通道冷板。并在此基础上分析了圆角S型微通道冷板在不同工况下的散热效果，分析发现选取合适的冷却剂和流体入口温度对冷板的散热效果有很大影响，工程中应根据冷却系统的制冷能力来确定合适的冷却剂与流体入口温度、速度。为了使分析结果更接近工程实际，细化相控阵天线的T/R组件模型，每个T/R组件内用四个小六面体模拟功率放大器，将T/R组件外壳的均匀发热改为高功率器件的局部发热，然后分析微通道冷板的散热效果，分析发现在特殊情况下，直入直出型微通道冷板也可以满足相控阵天线热设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 相控阵天线热控制技术与研究现状

1．2．1 相控阵天线热控制技术的国外研究现状

1．2．2 相控阵天线热控制技术的国内研究现状

1．3 微通道技术的国内外研究现状

1．3．1 微通道技术的国外研究现状

1．3．2 微通道技术的国内研究现状

1．1 本文主要工作

第二章 电子设备热设计理论基础

2．1 常用散热方法及其特点

2．2 热传递方式及热仿真理论基础

2．2．1 热传导

2．1．2 热对流

2．2．3 热辐射

2．3 流体动力学基本方程

2．3．1 质量守恒方程(连续性方程)

2．3．2 动量守恒方程

2．3．3 能量守恒方程

2．4 冷板热分析主流有限元软件

2．4．1 建模软件—Pro／E

2．4．2 ANSYS CFX软件

2．5 本章小结

第三章 影响微通道冷板散热性能的因素分析

3．1 相控阵天线基本结构

3．2 微通道冷板介绍

3．2．1 常见微通道冷板结构

3．2．2 液冷冷板简介

3．3 微通道几何参数对散热性能影响的仿真分析

3．3．1 微通道高宽比的影响分析

3．3．2 微通道宽度的影响分析

3．3．3 微通道占空比的影响分析

3．4 边界条件对微通道冷板散热性能影响的分析

3．4．1 流体入口速度的影响

3．4．2 流体入口温度的影响

3．5 本章小结

第四章 微通道冷板在有源相控阵天线的应用

4．1 有源相控阵天线工作环境以及散热指标介绍

4．2 不同形式微通道冷板在相控阵天线中的应用

4．2．1 直入直出型微通道冷板热模型仿真分析

4．2．2 直角S型微通道冷板热模型仿真分析

4．2．3 圆角S型微通道冷板热模型仿真分析

4．2．4 仿真结果比较

4．2．5 不同工况下圆角S型微通道冷板的散热分析

4．3 T／R组件非均匀发热时不同形式微通道冷板的散热比较

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

研究成果