某机载有源天线结构布局及散热设计

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[3] 夏琛海，牛宝君 . 一种高集成机载有源相控阵天线系 [10] 金志军，薛澄岐，曹存明 . 某机载通讯设备的热仿真
36.2645 35.0000
43.8513 42.5868 41.3224 40.0579 38.7934 37.5290 36.2645 35.0000
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． １０， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５
图 7 TR 温度云图
图 7 中，TR 内部功率放大器的温度最高，约为 45.115 8 ℃，满足指标要求。
Keywords: active antenna; structure layout; thermal design
0 引 言
机载有源相控阵雷达具有系统效率高、多功能、 多波束、扫描速度快、抗干扰能力强以及可靠性高等 优点，逐渐成为机载雷达的主要发展方向 [1-7]。受载 机平台限制，机载雷达的轻、小型化已成为一种迫切 的需求，而雷达的小型化会使得产品的单位热流密度 增加，从而增加热设计的难度 。 [8-10]
2 可扩充阵列模块
可扩充阵列模块是有源天线阵面的核心，它的 体积、重量以及发热量在整个天线系统所占比例最大，
收稿日期：2021-01-13 作者简介：蔡香伟（1987-），男，安徽萧县人，博士，工 程师，主要研究方向为雷达天馈结构设计。
可扩充 天线框架 阵列模块 反射板
列线源
低功率射频
图 1 有源天线结构
2021 年 3 月 10 日第 38 卷第 5 期
doi：10.19399/ki.tpt.2021.05.014
Tele， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５
设计应用
某机载有源天线结构布局及散热设计
蔡香伟，马寅飞 （中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）
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风机空腔
低功率射频单元机箱电子设备
2021 年 3 月 10 日第 38 卷第 5 期
蔡香伟，等：某机载有源天线结构布局及
散热设计
Temperature[C] 45.1158 43.8513 42.5868 41.3224 40.0579 38.7934 37.5290 36.2645 35.0000
基于某机载雷达研制的任务需求，本文设计了 一种有源相控阵天线，针对可扩充阵列模块和低功率 射频单元等主要热源，分别采用液冷和强迫风冷方式 解决系统的散热问题。
1 系统概述
机载有源天线结构如图 1 所示，主要由天线、 反射板、可扩充阵列模块、低功率射频单元、天线框 架及馈电网络等设备组成。系统工作时，可扩充阵列 模块和低功率射频单元热耗较大，自然散热无法满足 其散热要求。因此，在进行结构排布时需重点关注这 两部分的散热设计。
因此要求 SAM 体积尽量小，重量尽量轻，散热最佳。 可扩充阵列模块的安装示意如图 2 所示。反射
板上设置水分配器和静压腔，可扩充阵列模块从反射 板的背面插拔装卸，其电连接器和液冷连接器均采用 盲插形式安装在反射冷板背板上。为保证盲插性能， 其壳体上机械接口、电接口以及液接口的位置精度要 求较高，其中定位精度要求最高的是液接口，因此在 进液和回液水接头附近分别布置一个定位销。
一个可扩充阵列模块包含 4 个 TR 组件，每个 TR 具有 8 个有源通道。TR 组件两两并排，然后背靠 背安装在可扩充阵列模块的冷板上。根据 TR 组件的 热源分布，在冷板上合理布置水道，可以有效解决 TR 的散热问题。液冷冷板内嵌肋片和流道结构示意 如图 3 所示。
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2021 年 3 月 10 日第 38 卷第 5 期
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[8] 孙远涛，谢 标，冯明扬 . 考虑热环境下某数字阵列 模块的结构设计与热设计 [J]. 机械与电子，2018，36 （1）：7-9.
量通过热传导的方式传递至翅片上，通过风机吹风，
以对流换热的方式带走电子设备的热量，从而控制电
子设备各器件的温度。
图 2 可扩充阵列模块安装示意
图 5 低功率射频单元背部风机
图 3 液冷冷板内嵌肋片和流道结构示意
3 低功率射频单元
低功率射频单元示意如图 4 所示。其内容包括 窄带接收、数字收发、模拟收发、频率合成及接收电 源等。低功率射频安装在带有空腔的背板上，背板通 过法兰及阻尼铰链安装在天线框架背部。
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图 8 低功率射频单元散热翅片结构
低功率射频单元散热翅片结构示意如图 8 所示， 环境温度为 55 ℃时各单机的温度云图如图 9 所示。
温度（℃）
图 9 中，组件最高温度为 68.933 5 ℃，满足68.9指335 标
68.0054
要求。
67.0774
66.1493
65.2213
68.5664 ℃
4 热设计
利用 ANSYS Icepak 热分析软件分别对可扩充阵 列模块和低功率射频单元开展仿真分析，根据软件建 模及天线特点，对模型进行简化处理，忽略螺钉孔及 倒角特征，忽略辐射散热因素。
冷板的散热能力除了和冷板结构有关，还和冷 却液的供液温度以及流量有关系，冷板的散热效果随 着供液温度的降低和流量的增加而增强，但是供液温 度和供液流量也受其他条件限制。如为防止阵面凝露， 供液温度不应低于空气露点温度等。供液流量的增加 将会导致流阻的大幅度增加，经优化设计每块冷板供 液流量取值为 0.5 L/min。为了验证该冷板的实际散热 效果，在供液温度为 35 ℃、供液流量为 0.5 L/min 的 工况下，分析可扩充阵列模块流动和传热仿真，TR 温度云图如图 7 所示。
温度（℃68）.4054 ℃ 68.9335
68.0054
64.2933 63.3652 62.4372 61.5091
67.0774
68.5664 ℃
68.5664 ℃
68.4054 ℃
68.9205 ℃
温度（℃） 68.9335 68.0054 67.0774 66.1493 65.2213 64.2933 63.3652 62.4372 61.5091
CAI Xiangwei, MA Yinfei (The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)
Abstract: In this paper, the structure of an airborne active phased array antenna was designed, and the thermal simulation analysis of scalable array module and low power RF unit were carried out. The maximum temperature of heating elements was lower than the upper limit of allowable working temperature of each element, which met the design index.
进风 进风
风 风机 机
送风 送风
低功率射频单元机箱电子设备 低功率射频单元机箱电子设备
机
机箱翅片风箱翅片风道
热传导 热传导
风 风冷冷冷冷板 板
道
窄带接收 窄模带拟接收收发 模频拟综收合发成 频数综字合收成发 其数他字电收子发设备 其他电子设备
出风 带出走风热量 带走热量
控制 控制
图 6 低功率射频单元风冷工作原理
电源
窄带接收
数字收发
频率合成
模拟收发
图 4 低功率射频单元
由于载机平台提供的液冷流量有限，只能确保 可扩充阵列模块的散热。为保障任务设备能进行有效 冷却，低功率射频单元采用强迫风冷和传导散热为主， 结合自然散热的方案。低功率射频单元背部风机如图 5 所示，在背板的背部设计风道，热量通过背板传导
风机空腔 风机空腔
摘要：对某机载有源相控阵天线进行结构设计，并对可扩充阵列模块和低功率射频单元等热源进行热仿真分析。 分析发现，发热元件最高温度低于各元件允许的工作温度上限，满足设计要求。
关键词：有源天线；结构布局；散热设计
Structure Layout and Thermal Design for an Airborne Active Antenna
68.6316 ℃
68.4054 ℃ 68.179 ℃
68.9205 ℃
68.6316 ℃
66.1493 68.16759.℃2213
64.2933 63.3652 62.4372 61.5091
68.9205 ℃
68.6316 ℃
68.179 ℃
图 9 低功率射频单元温度云图
5 结 论
本文对某机载有源相控阵天线进行了结构设计， 并对主要热源进行热仿真分析，发热元件最高温度低 于各元件允许的工作温度上限，满足设计要求。
机械工程，2015，31（2）：20-21. [5] 任开锋，李凤英，宋志行，等 . 某机载雷达相控阵天线
结构设计 [J]. 电子机械工程，2010，26（2）：43-46. [6] 王 朋，侯守武，刘 巍 . 某型无人机载雷达的结构
设计 [J]. 电子机械工程，2016，32（4）：39-42.
参考文献：
电源 电源
窄带接收 窄带接收
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． １０， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５
到散热翅片数数上字字，收收发发再通过频频风率率合合扇成成吹风将模模拟拟热收收量发发 带走。
低功率射频单元风冷工作原理如图 6 所示。电
子设备与安装有密集散热翅片的冷板接触，散发的热