一种弹载相控阵天线多工况快速切换热控方法
郑雪晓
【摘 要】针对弹载雷达相控阵天线需要满足在试验测试维护时长时间工作，而上弹后在无外界附加散热措施情况下短时可靠工作的要求，提出一种基于楔形锁紧装置的可快速更换换热单元天线前端结构设计方法。该方法采用液冷和基于石蜡/石墨复合相变材料储热器作为散热手段，分别实现了稳态散热和瞬态热控。着重阐述了相变材料储热器设计计算时的数学模型和仿真方法。仿真及试验验证表明，可更换换热器相控阵天线前端满足稳态、瞬态多工况热环境稳定工作要求；采用基于石蜡/石墨相变材料储热器作为热沉其储热效果要优于传统金属热沉。%The phased array antenna of missile-borne radar needs to work long hours in experimental tests and maintenance, and provide short-time reliable work performance without any cooling measure on the missile. According to the requirement,a structure design method for antenna front-end is presented,with which cooling elements can be replaced quickly based on wedge locking device. The method utilizes liquid cooling and thermal storage based on paraffin/graphite composite phase-change material ( PCM ) as th e means of cooling to achieve steady-state cooling and transient thermal control respectively. The mathemati-cal models and simulation methods during the calculation of thermal storage based on PCM are described. Simulations and experiments show that the proposed front-end design of phased array antenna meets the re-quirements for stable work in thermal environments of both steady state and transient state( multiple work-ing conditions) . The heat sink effect of thermal storage based on paraffin/graphite PCM is superior to that of the tradition.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】5页(P513-517)
【关键词】弹载雷达;相控阵天线;结构设计;热控;相变材料;可更换换热单元
【作 者】郑雪晓
【作者单位】中国西南电子技术研究所，成都610036
【正文语种】中 文
【中图分类】TN03
1 引言
相控阵天线具有扫描速度快、跟踪精度高、抗过载能力强等优势，但大量TR组件组阵，特别是高频段天线(Ku频段以上)由于其总体积小、阵元间距小、芯片效率不高［1］而导致的发热量大造成了热流密度极高。对于最新的大功率芯片来说，热流密度已经远超过了100W/cm2［2］。散热成为了相控阵天线的重要问题，也是亟待解决的关键技术。
对于弹载天线来说，还面临多工况问题。弹载电子产品由于其平台条件限制，多数情况下无法采用强迫冷却，部分产品平台还会通过传导或热辐射的方式对设备加热，因此需要在几十秒到几分钟不等的时间内对设备完成短时温控。然而，为了满足产品出厂之前的地面试验，他机挂飞，以及交付以后的在线维护维修，需要有一套冷却系统对设备实施长时间的稳态散热。为了保证设备技术状态和技术稳定性，在瞬态热控和稳态散热工况切换时，不能拆卸天线阵面，因此需要设计一套可快速更换散热器的热控解决方案。根据文献介绍
［3－5］，目前相控阵天线的散热主要还是采用风冷以及液冷的方式，弹载相控阵天线的散热方式采用相变材料储热器或其他热沉形式，而考虑到使用平台特点在稳态散热和瞬态热控不同工况下切换的热控方案很少提及。
为了满足弹载产品多工况适应性热控，在结构设计时就要考虑相控阵组阵方案，TR组件结构形式、散热系统均要进行适应性设计，以满足上述要求。
2 结构总体设计
2.1 主体构架设计
考虑到天线阵面的热流密度，拟采用强迫式液冷散热形式。在此基础上相控阵天线常用结构模型有如下3种:TR组件两侧散热、穿通液冷［4］以及顶部散热，如图1所示。两侧散热的结构形式主要适用于阵元规模不大、尺寸小、频段高的设备;穿通液冷可用于大阵面，但由于液冷通道更换需拆解天线阵面，而不更换则会造成设计冗余降低弹载产品的可靠性;顶部散热可用于阵元规模大的设备，但直接采用冷板液冷，则会造成冗余设计，如结合环路热管则可较好地解决问题。本方案针对的弹载设备阵元数量在256阵，属于小规模阵列天线，因此选用方案1。
图1 相控阵天线阵列散热结构Fig.1 The radiating structure of phased－array antenna
天线阵面射频前端由天线、TR组件、功分和差器、波控器、收发校正前端组成，天线阵面与TR组件、TR组件与功分和差器通过高频盲插接插件进行电气互联。由于阵面规模较小，考虑将和差功分器、波控器和结构承载部件一体化设计形成多功能部件。阵面左右侧设计为可更换散热器，其结构布局如图2所示。
图2 射频前端示意图Fig.2 The structure of RF front－end
2.2 可更换散热器结构设计
阵列天线
如图2所示，在TR组件阵列两侧面为基于楔形锁紧导轨的可更换热沉，通过结构导轨滑入支架当中。锁紧机构在导轨与TR组件之间提供正压力进行锁紧，同时提高TR组件加工精度，使外形尺寸达到±0.05mm;TR组件与安装基面之间采用销钉定位提高安装精度，在换热器与TR组件接触处粘贴高导热系数衬垫，在正压力的作用下，填补TR组件外形的加工误差，和组阵后的装配误差连接热路。为了增加换热效率，液冷模块内部采用“蛇”形结构，相变储热器内部采用“田”或“目”字结构，用于强化传热，提高换热效率。现场可更换换热器结构形式如图3所示。
图3 现场可更换换热器Fig.3 The structure of heat disspator
在地面联式、暗室测试、他机挂飞以及交付后定期测试过程中，使用外部强迫液冷的形式进行冷却。正式交付后可在不维护阵面的情况下松开锁紧器，从阵面前方抽出换热器，改用相变材料储热装置，从而实现短时瞬态温控。由于导热衬垫材质柔软，且有一定粘性，为易损件，反复使用后若出现较大变形，应及时更换。
3 瞬态热控方法
3.1 热沉材料选择
弹载平台上通常情况没有其他散热条件，且工作时间不长，往往设备在未达到热平衡之前就已经完成工作，因此主要考虑采用热沉散热。相较于传统金属热沉，相变材料由于其相变潜热大的特点越来越广地使用于电子设备瞬态热控领域。本方案拟采 用 相 变 潜 热 为171.4 kJ/kg、导 热 系 数为4.525 W/m·K的石墨石蜡复合相变材料(PCM)。该相变材料是采用“液相浸渗法”，利用膨胀石墨对石蜡良好的吸附性能所制备出的石墨/石蜡复合PCM［6］，具有储热密度大、导热系数相对较高，且无液体泄漏和流动问题，其相变过程体积
变化小，价格相对较低的优点。在吸热过程中，相变材料温度没有明显升高，却能吸收大量热量，非常适合在允许升温很小的情况下的电子设备散热。结构设计时将相变材料储热器结构外形与液冷散热通道结构外形进行统一化设计，最终与系统形成相同的结构模型。
3.2 瞬态计算数学模型
由于瞬态工况下采用了PCM材料，因此在瞬态热设计时主要考虑PCM储热器的计算，从而得到相应的设计依据。
(1)相变散热数学模型
在本方案中，由于采用了石墨基复合相变PCM，可忽略固液界面流动问题，因此描述相变简化为建立起 PCM 熔化前比热 Cp－solid、Cp－liquid，等效比热Ceffective，及其融化以及熔解热、熔点之间的关系，即为等效比热法，数学表达式为
式中，h为PCM材料的潜热，δT为PCM的相变温度范围。
焓法数学模型是相变散热最常用的数学模型，由于不考虑内热源，其能量控制方程［7］为
固、液相温度和焓的关系可表示为
式中，ρ为密度，h为比焓，k为导热系数，T为温度，下标s和l分别表示固相和液相。
由于采用复合相变材料无固液界面，因此焓法的进一步描述可表示为
等效比热和焓法的主要区别是在能量方程中，焓法使用焓来取代原来能量方程中的温度T，将H和T一起作为待求函数，在整个区域(包括液相区、固相区和两相区)建立一个统一的能量方程，利用数值解法求得热焓和温度分布。因此，等效比热法控制方程可表示为
其中，温度T和焓H的关系如下:
其中，∈定义为相变温度范围的一半，λ(J/kg)为相变潜热，Hs和Hl分别为固相液相的比焓。
可见T和H都是线性关系，在数学上有相似的解。等效比热法是直接对Cp进行赋值处理，焓法是通过一个线性表达式，并引入H，实际上，通过对H的定义，间接地对Cp进行了处理。
实际在数值计算时，对熔点位置的PCM区域材料赋予高等效比热，并在该位置处达到一定温度后恢复相应PCM液相时的比热，从而实现对PCM的模拟。采用该模型，使得数值模拟消耗大幅降低，且计算精度一般能满足工程需求。
(2)相变材料吸热总量计算
设计时，需预先判断相变材料填入总量是否满足要求。由于材料相变过程中，设备对外或多或少存在热交换，因此这个过程相对复杂。工程实际应用时可通过先进行粗略估算后再对模型进行仿真验证，从而解决这个问题。估算相变材料吸热总量可根据公式
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