Ka-EHF頻段相控陣天線結構-熱一體化設計方法

張濟良,肖 松,張 宙,孟凡達

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信技術的發展,高頻段相控陣天線的使用需求逐漸增加[1]。但高頻相控陣天線通道間距小、結構緊湊、熱耗集中,其結構設計與熱設計的優劣直接影響相控陣天線性能,同時由于某些任務需要,天線在體積、重量受限的同時往往還有防水要求,從而進一步提高了結構、熱設計的難度。

現有文獻對風冷相控陣天線的研究多集中在頻段較低的相控陣天線,由于低頻段相控陣通道間距大,可在天線內部直接設計散熱結構、風道,但由于與外界連通,使得結構不再防水密封,或者需要在內部T/R組件等模塊上進一步增加密封結構,導致重量增加[2-5]。針對Ka-EHF相控陣天線結構-熱一體化設計問題,提出了一種模塊化垂直分層風冷相控陣天線結構,并進行了力學、熱學仿真分析。

1 結構-熱一體化設計

Ka-EHF頻段相控陣天線,要求同時具有發射、接收以及抗干擾功能,結構上要求小型化、輕量化、具有密封防水性能,主要組成包括天線陣列、有源射頻組件、對應的功分網絡、綜合控制板等。綜合考慮系統組成以及任務需求,貫徹通用化、模塊化的設計思想,采用自頂向下的方法進行多級模塊化設計,提出一種模塊化垂直分層風冷結構,從上到下依次為射頻層、散熱層、控制層,通過物理隔離散熱層的方式使得相控陣在有效散熱的同時其功能區保持密封,結構框圖如圖1所示。

圖1 Ka-EHF相控陣天線結構

1.1 射頻層設計

射頻層內安裝天線陣面、Ka頻段發射有源射頻組件、EHF頻段接收有源射頻組件、EHF頻段抗干擾有源射頻組件、對應的功分網絡,外側罩有天線罩,其中Ka頻段發射有源射頻組件采用背靠背安裝方式,組件之間設計導熱板,將熱量有效導至散熱層;EHF頻段接收有源射頻組件在兩側設計結構彎板,在保證強度的同時,增加導熱面積。組件與功分器的射頻連接接口采用側出形式,通過盲插互聯的形式實現電氣互聯。EHF頻段抗干擾有源射頻組件熱耗相對較小,在其底部設置安裝法蘭,直接安裝于射頻層結構件上。

1.2 散熱層設計

由于散熱需要保證良好的散熱通路,需要散熱位置盡可能的靠近熱源位置,因此將散熱層置于整個相控陣天線中部,散熱層上部直接安裝組件,組件與散熱層之間均勻涂抹導熱脂以減小熱阻。

對所需的散熱面積以及風機風量進行估算,其中散熱面積通過下式估算:

A=φ/hΔT

(1)

式中,φ為熱耗(W);h為強迫風冷對流換熱系數,根據工程經驗取60 W/(m2·K);A為對流換熱面積(m2);ΔT為冷空氣與散熱位置之間溫差,根據工程經驗初設為20 ℃。

根據式(2)對風機風量進行初選:

Q=cmΔT

(2)

式中,Q為熱耗(W);c為空氣比熱容;m為質量流量;ΔT為空氣溫度變化差值,根據工程經驗初設為10 ℃[6]。

天線整體熱耗36 W,根據式(1)與式(2),可得所需換熱面積約為0.03 m2,風機流量不小于0.2 m3/min。為了保證系統具有足夠的可靠性,兼顧整體尺寸、重量的分配,實際散熱面積設計為0.044 m2;風機選型時考慮到工作點流量小于最大流量,因此風機最大流量選擇上應留有余量,選擇風機最大流量為0.63 m3/min,防護等級IP68。

1.3 控制層設計

控制層內集成一塊控制板,包括電源轉換模塊與波束控制模塊,其中的電源轉換模塊和FPGA芯片需要單獨散熱,設計時其與金屬結構直接相連,并在兩者之間增加柔性導熱墊,保證良好的熱接觸?？刂茖优c射頻層需要低頻電氣連接,常用的低頻連接形式主要有垂直互連和采用電纜組件連接的方式,垂直互連能夠最大限度地節約空間,但是在受到較強的振動沖擊時,這種連接方式存在安全隱患,因此采用電纜組件連接的方式,對振動沖擊有較強的耐受力,增加系統的可靠性。但由于散熱的需要,散熱層置于射頻層與控制層之間,因此電纜組件需要跨層實現電氣互聯,通過開設電纜組件密封通道的方式實現射頻層與控制層之間的互聯,為了保證功能層之間的密封性,電纜組件通道獨立于散熱層開放通道之外。

2 力學仿真分析

為了驗證Ka-EHF相控陣天線的的結構強度,對相控陣天線進行隨機振動分析。在進行隨機振動分析之前,需要先進行模態分析得到固有頻率和振型。為保證隨機振動分析的有效性,需要模態分析頻率覆蓋隨機振動分析的頻率或有效質量達到90%以上,本次分析中提取前四十五階的模態分析結果,其中天線結構模態的前三階模態如圖2所示。

在模態分析的基礎上,對結構進行隨機振動分析,隨機振動譜為寬帶加窄帶形式,具體施加的隨機振動功率譜密度值:寬帶15～2 000 Hz,功率譜密度為0.01 g2/Hz,第一個窄帶中心頻點為75 Hz功率譜密度為0.1 g2/Hz、其余頻點為150 Hz、225 Hz、300 Hz,按-6 dB/oct降低。

在隨機振動激勵下,得到X、Y、Z三個軸向的天線結構3σ應力云圖,如圖3所示。

參照仿真結果可知,Y向隨機振動時應力最大為20.8 MPa,出現在結構框架位置,結構框架材料為鋁合金5A06,許用應力為270 MPa,經公式(3)計算得安全裕度為7.6>0,滿足使用要求。

(3)

式中:M.S為安全裕度;σb為材料的極限強度;f為安全系數,取1.5[7]。

3 熱學仿真分析

Ka-EHF相控陣天線要求在高空55 ℃環境下正常工作,將簡化好的模型導入仿真軟件中,驗證有源射頻組件芯片,控制板上電源轉換模塊、FPGA芯片的溫度是否滿足要求,以及風道設計是否合理,其中要求有源射頻組件芯片≤100 ℃,電源轉換模塊、FPGA芯片≤85 ℃。

仿真結果見表1,各主要元器件溫度分布如圖4—圖7所示。由表1可知,熱設計具有足夠余量,滿足溫度要求。

表1 熱學仿真結果表

圖4 抗干擾有源射頻組件溫度云圖

圖5 發射有源射頻組件與網絡溫度云圖

圖6 接收有源射頻組件溫度云圖

圖7 控制板溫度云圖

4 結束語

本研究針對高頻段相控陣天線結構-熱一體化設計,提出了一種模塊化垂直分層的密封結構,解決了相控陣天線在有效散熱的情況下防水密封以及復雜的電氣互聯問題,并通過力學仿真與熱學仿真,驗證了設計的正確性,為同類相控陣天線設計提供參考。