高集成阵列天线微通道散热设计方法研究_王艳.pdf

第39卷第1期2023年2月Electro-Mechanical Engineering环境适应性设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.01.006高集成阵列天线微通道散热设计方法研究*王艳1,2，王执姬1，李嘉睿1，段中兴1，马宗方1，付洪平2，王志海3，于坤鹏3，吴文志3，王从思4（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055；2.浙江丰帆数控机械有限公司，浙江 湖州 313113；3.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；4.西安电子科技大学广州研究院，广东 广州 510555）摘要：高集成阵列天线以其高精度、大范围、多功能的特点成为当今雷达天线发展的主流。然而，电子元件的高度集成导致天线阵面高热功耗，进而恶化天线电性能，因此高效率的散热设计必不可少。微通道散热装置是一种基于流体热交换的换热器，良好的微通道布置结构对稳定天线工作温度和确保天线的控制精度有着重要作用。文中基于ANSYS软件设计了天线微通道有限元模型，根据传热效率对微通道结构参数进行了优化，设计了蛇型流道和U型回路流道2种微通道散热结构，并进一步从传热效率和工程实践出发，对结构进行优化，设计出更加合适的2种一体式散热结构。关键词：相控阵天线；微通道；流道；热交换中图分类号：TN82;TK414.2文献标识码：A文章编号：10085300(2023)01003604Research on Design Method of Microchannel Heat Dissipation ofHighly Integrated Array AntennaWANG Yan1,2,WANG Zhiji1,LI Jiarui1,DUAN Zhongxing1,MA Zongfang1,FU Hongping2,WANG Zhihai3,YU Kunpeng3,WU Wenzhi3,WANG Congsi4(1.School of Information and Control Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China;2.Zhejiang Fengfan CNC Machinery Co.,Ltd.,Huzhou 313113,China;3.The 38th Research Institute of CETC,Hefei 230088,China;4.Guangzhou Institute of Technology,Xidian University,Guangzhou 510555,China)Abstract:The highly integrated array antenna has become the mainstream of radar antenna developmentbecause of its high precision,large range and multi-function.However,the high integration of electronic com-ponents leads to high thermal power consumption of the antenna array and deterioration of the electricalperformance of the antenna.Therefore,efficient heat dissipation design is essential.Microchannel heat dissi-pation device is a heat exchanger based on fluid heat exchange.A good microchannel layout structure playsan important role in stabilizing the work temperature of the antenna and ensuring the control accuracy ofthe antenna.The finite element model of microchannel of antenna is designed in this paper based on ANSYSsoftware,the structure parameters of microchannel are optimized according to the heat transfer efficiency andtwo microchannel heat dissipation structures(serpentine channel and U-loop channel)are designed.Based onthe heat transfer efficiency and engineering practice,the structure is further optimized and two more suitableintegrated heat dissipation structures are designed.Key words:phased array antenna;microchannel;runner;heat exchange引言高集成有源相控阵雷达是精确打击武器系统的重要组成部分，在国防领域发挥着重要作用1。有源相控阵雷达的主要部件为天线，一般为阵列型，每个阵列单元的辐射模块都具备独立的收发单元（T/R组件），这些收发单元在工作时会产生大量的热，造成元件精*收稿日期：20221001基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目（21JK0721）；国家自然科学基金资助项目（52105272，51975447）；国防基础科研计划项目（JCKY2021210B007）；电子装备结构设计教育部重点实验室开放基金资助项目（EESD1903）36第39卷第1期王艳，等：高集成阵列天线微通道散热设计方法研究环境适应性设计密度下降甚至损坏，影响雷达正常工作。如何将热量合理导出，使电子元器件在适宜的温度下健康运行是一项十分重要的工作2。微通道散热技术起源于20世纪80年代大规模的集成电路散热通道结构。这些通道结构一般采用铜、硅或氧化铍。硅材料加工技术比较成熟，因此硅微通道结构得到广泛应用。相控阵天线的微通道散热研究起源于20世纪出现的天线散热问题。MikeScott3针对辛普森多功能雷达的结构采用了风冷方式；Masayuki Nakagawa等4针对高热流密度的T/R组件散热需求，设计了一种U型回路热管板；Ivel LCollins等5设计了针对电子元件冷却应用的3D打印微通道散热器。国内对相控阵天线冷却技术的研究起始于20世纪80年代。张兆光6在相控阵天线的T/R组件上采用了鳍片式的冷却板散热技术；陈鹏艳7以5 5相控阵T/R模块为研究对象，基于传热学和流体动力学理论，设计了一种发散隔板式多孔微通道拓扑热管；谭慧等8为解决相控阵天线温度不平衡问题，设计了S形微通道、树形分叉横向微通道和T形纵向微通道3种拓扑结构。本文以传热学为基础，分析微通道的工作原理，使用ANSYS Workbench软件进行了不同类型微通道结构的建模和散热分析，并结合分析结果对模型进行优化，以提升散热性能。1微通道散热设计有源相控阵天线主要由微处理器、移相器、天线控制器、馈电网络等组成。基于天线结构组成，本文将天线模型等效为自上而下的4部分，即矩阵天线功放芯片、导热板、流道和基板。在其他组件参数不变的情况下，主要对散热流道类型进行分析设计，以分析不同流道形式下的散热性能。研究高集成阵列天线微通道散热的优化方法。首先建立天线和微通道散热组件的有限元模型；然后在参数设定的热环境载荷影响下，进行天线温度场和热变形仿真分析，分析不同的微通道结构尺寸对阵列天线温度场分布的影响；最后在阵面最高温和均温性要求下，对微通道的结构参数进行优化设计。设计的毫米级天线微通道散热器的整体尺寸为40mm 40mm 8mm。其中，导热板高3 mm，基板高1 mm，限定流道高4 mm。工作温度为300 K，气压为1个标准大气压。散热工质为水，流速为1.5 m/s。功放芯片组成为3 3的矩阵式，功率密度设置为50W/cm2。主要聚焦于流道的设计布局，微通道材料均默认为铝。1.1矩状蛇形流道结构设计与分析1.1.1模型设计流道与导热板接触的面积越大，单位时间内带走的热量就越多，散热效率就越高。因此，搭建了宽4 mm、高4 mm、管壁厚1 mm的矩状蛇形流道模型，流道均匀分布于芯片下层，进出口在微通道两端。1.1.2网格划分基于模型分析，导热板、基板、流道以及功放芯片都近似为六面体结构，因此可使用ANSYS Workbench软件自动判定的网格划分模式。同时，为进一步提升分析的准确度，使流道的热传递更加鲜明，对选中的流道结构进行细化处理。划分后，模型结构网格质量集中于0.63和0.88之间，符合仿真计算要求。1.1.3天线微通道温度场分析在几何模型与网格数据同步到fluent模块后，对模型进行参数设计，其中，每个芯片的功率设置为50 W，环境载荷为施加重力加速度。然后对模型进行初始化验证。经验证，模型收敛至3.807062E08，大于1.000000E06的收敛公差，满足要求，可以进行运算。为使结果更加精确，设置计算次数为500次。如图1所示，芯片最高工作温度约为74C，最低工作温度约为60C，最高温度超过了天线组件允许的最高工作温度70C9，而且组件中的最高温度和最低温度之间相差了14C，不满足温度一致性10要求（天线组件的温差 10C），影响了天线的控制精度。图 1矩状蛇形微通道稳态温度图1.1.4天线微通道压力分布分析通过fluent模块内置的后处理软件CFD-POST进行模型的压力分布分析。CFD-POST是ANSYS在Workbench里集成的优秀的后处理分析软件，广泛应用于流体力学相关的有限元分析。将计算后的结果导入该软件，选取“pressure”，调出流道管壁区域显示压力分布，如图2所示。37环境适应性设计2023年2月图 2矩状蛇形流道结构压力分布云图从图2可知，压力最高为6374.2 Pa，最低约为920.7Pa。由此可知，散热工质在流道中停留时间过长，使温度积聚在出口处，导致入口与出口处的压差过大，不适宜较长时间工作，因此需要重新设计流道。1.2矩状U型回路流道设计与分析1.2.1模型设计矩状蛇形流道的缺点在于散热工质在流道内的停留时间过长，在流经最后几个芯片时，水的温度已经远高于入口处水的温度，散热效率急剧下降，造成芯片之间巨大的温差。因此，在确保散热工质与导热板的接触面积尽可能大的同时，还要尽可能减少流体在流道内的流动时间。为此，设计了矩状U型回路微通道，流道高3 mm，宽4.5 mm，3个流道并排埋于导热板下。1.2.2网格划分该模型也使用系统自动判定的网格划分模式。为提高计算的准确度，文中将3个流道分开定义，并将其网格的细化程度提升200%。通过分析网格质量高度集中在0.63到0.88区间，可以进行fluent温度场仿真运算。1.2.3天线微通道温度场分析在参数同步后进一步对网格进行初始化检验。模型收敛至5.867766E07，大于1.000000E06的收敛公差，满足要求，可以进行仿真计算，结果如图3所示。从图3可以看出，芯片温度约为62C，与蛇形流道相比，散热性能提升了约16%，芯片工作温度恒定，满足天线正常运行的阵面温度一致性。图 3矩状U型回路流道温度场云图1.2.4天线微通道压力分布分析流体作用于管壁的压力分布如图4所示。从图4可以看出，流道管壁的大部分压力分布在717 Pa和4100 Pa之间，在回路的弯曲处出现极小范围的压力突变，仍需改