有源相控阵天线小通道冷板的热仿真分析与热设计

摘要

从20世纪60年代开始,有源相控阵天线由于巨大的技术潜力而受到国内外的普遍重视,并得到大力发展和应用。但是,随着天线的集成度和热功耗不断地增加,天线的高组装密度使得热设计变得尤为重要和突出。天线的热设计与天线的电性能指标直接相关,会影响到天线的探测、跟踪和识别等功能的实现。而有源相控阵天线的热功耗主要集中在T/R组件上,天线阵面可能有几千个T/R组件和几万个功率晶体管,组成了庞大的发热体。因此,如何解决这几千个T/R组件的发热便成了天线热设计最关键的问题。基于此,本文以有源相控阵天线为主要研究对象,对其进行散热需求分析,以单个T/R组件为载体深入研究微小通道散热技术,最后设计出新型冷板以解决天线的散热问题。具体工作包括:
　　(1)研究了T/R组件的热需求和某组件热仿真分析的详细过程。首先分析有源相控阵天线的结构和散热系统,仔细介绍了T/R组件的结构与工作特点。然后对某组件的详细模型进行热仿真分析,并对三种简化建模方法进行研究,最后提出T/R组件的热阻模型并计算,确定T/R组件的冷却任务,提出合理的冷却方式。
　　(2)研究了不同因素对散热器的压降和散热性能的影响,并对小通道散热器进行优化设计。基于传热学和计算流体力学,建立流热耦合数学模型;研究小通道的水力直径、高宽比、孔隙率以及冷却液的入口速度对压降和散热性能的单因素影响。阐述了析因设计和响应面法的基本理论,并基于仿真数据,通过析因设计和响应面优化方法对小通道的多因素参数进行影响因子评估和设计小通道结构参数与流体参数。
　　(3)研究了冷板流道的拓扑形状对冷板的压降和散热性能的影响分析并设计出新型流道冷板。建立有源相控阵天线线阵的冷板模型,分析常规流道的小通道冷板的散热效果;提出仿蜂窝流道的小通道冷板并对其温度场、压力场进行仿真分析,与常规流道的小通道冷板进行对比分析后发现,新型流道冷板更好解决了散热和压降的问题,满足了T/R组件上表面热流密度为95W/cm2的功率晶体管的散热需求。最后将新型流道冷板应用于整个有源相控阵天线系统,并进行热仿真分析。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 微小通道技术的研究现状

1.3 有源相控阵天线的热设计

1.4 本文主要研究内容

第二章 T/R组件的热仿真分析

2.1 热仿真的基本理论

2.2 有源相控阵天线的概述

2.3 组件详细模型的热仿真分析

2.4 组件的简化建模方法研究

2.5 T/R组件的冷却

2.6 本章小结

第三章 小通道散热器的结构设计

3.1 引言

3.2流热耦合的数学模型

3.3 小通道散热器建模及边界条件

3.4 小通道单因素的压降与散热性能影响分析

3.5 小通道多因素的压降与散热性能影响分析

3.6本章小结

第四章 冷板的热设计与天线阵面的热分析

4.1 冷板的概述

4.2 天线线阵冷板的建模

4.3常规小通道冷板的热分析

4.4 新型小通道冷板的热设计

4.5 有源相控阵天线阵面的热分析

4.6 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