机载有源相控阵天线冷板设计与流热耦合分析论文.pdf

西安电子科技大学
硕士学位论文
机载有源相控阵天线冷板设计与流热耦合分析
姓名：陈世锋
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：王从思
201201
摘要机载有源相控阵雷达实现了机载雷达从机械扫描向电子扫描、单一功能向多功能的转变，使机载雷达发生质的飞跃。有源相控阵雷达已经成为下一代火控雷达发展的必然趋势，是第四代战斗机的主要标志。有源相控阵雷达的热功耗主要集中在其天线上，而相控阵天线的热设计直接关系到天线的电性能指标，并最终影响相控阵雷达的探测、跟踪、目标识别等性能，但由于机载平台的限制，给天线的热设计带来极大的挑战。本文结合机载有源相控阵天线疪组件的结构与温度场特性，在国内外热控技术与冷板设计的发展现状的基础上，研究了一种基于三维建模软件疎和流热仿真软件睦浒迳杓品椒ǎ⒍曰赜性聪嗫卣筇煜呃浒褰辛肆魅锐詈戏治觥本文使用疎进行冷板的建模、型窕帧—前处理、甋星蠼猓詈笥肅—进行后处理，计算具有土道结构的机载有源相控阵天线冷板的温度场和流场，并分析了冷却液入速度、入口温度以及导流片对冷板散热性能的影响。仿真结果表明，增加冷却液入口速度、降低冷却液入口温度以及增加导流片都会降低热源的最高温度，但是在增加入速度和在流道中增加导流片的同时，也增大了进出口压降，造成了能量损失。因此，为设计一个最优的冷板结构，需对冷却液入口速度和导流片的数量与尺寸进行综合优化。关键词：机载有源相控阵天线疪组件冷板液冷
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第一章绪论随着电子技术的飞速发展，电子设备在军用和民用的各个领域得到广泛的应用。电子设备不断朝着微小型化和功能多样化的方向发展，在有限的体积空间内，电子元器件的数量不断增多，封装密度不断提高，热流密度也相应的不断增大，同时由于电子设备应用环境不断丰富，电子设备局部温度过高的问题日益突出。根据相关文献记载，电子设备的失效率有％是由于温度超过电子元器件的规定值引起的А５缱釉F骷ぷ鞯目煽啃远晕露仁置舾校孀盼露鹊纳撸缱设备的失效率成指数增长，温度循环变化超过±℃就会大大地降低元器件的寿命和可靠性，温度循环变化超过±℃时，失效率可以增加到倍国外研究电子设备散热的问题始于世纪年代，并发展了电子设备的热设计技术。年代，为适应高性能大型电子设备冷却的要求，电子设备热设计技术得到迅速的发展，目前电子设备的冷却技术、热控技术已经趋于成熟，并受到军方的重视。我国军方和美国军方都已将《电子设备可靠性热设计手册》列入国家军用标准，提供军用电子设备热设计与鉴定的方法，也提供了热设计的基本理论和计算方法。实用的、成熟的热设计技术主要有以下几类：自然冷却技术；强迫空气冷却技术；液体冷却技术；蒸发冷却技术；其他冷却技术，如热管、冷板、热电制冷等。由于军事电子设备的外部环境非常苛刻，可靠性的要求也非常之高，而且要满足小体积、高机动性、高灵敏度、宽频段的要求，已经进入了超高热流密度范围，所以军事电子设备的热设计是一个严峻的技术问题。雷达作为军事电子设备中热问题的突出代表，其冷却系统中普遍采用风冷或液冷两种形式对发热设备进行热控制。相对来讲，风冷冷却相对简单，成本低，易于实现，但体积大，受外界环境影响大；液冷冷却效率高，体积尺寸紧凑，但是组成部件较多，系统复杂度高。冷板是一种单流体濉⑺蚱渌淙醇的热交换器，传热性能很好，且体积小，质量轻，可以有效地冷却功率器件、印制板组装件及电子机箱所耗散的热量。在电子设备热控技术中受到广泛的重视，尤其在机载、星载电子设备中，由于受到空间和重量的限制，冷板的应用更具有明显的优势。有源相控阵雷达的热功耗主要集中在其天线上，天线的热功耗约占天线总功耗的％．％，因此非常有必要研究有源相控阵天线的冷却技术。相控阵雷达天‘
冷板设计的研究现状年，瓸．蚏．甒．首先提出了微通道冷板线冷板的热设计直接关系到相控阵雷达的探测性能。这是因为，一方面需要将芯片温度控制在正常范围，以提高疪组件的增益；另一方面需要使组成有源相控阵雷达的成千上万个疪组件工作在相同的温度条件下，从而保证疪组件的相位一致。本文正是基于此目的，通过数值模拟的方式对冷板进行流热耦合分析，从而为雷达的电性能设计提供参数依据。数值模拟的方法具有如下优点：①既能模拟真实条件，又能拟定某些理想化的假设；②能够得到冷板内部的流场、温度场、压力、传热系数等参数；③周期短，能在短期内获得大量匹配组合数据并进行方案的优选；④和实验研究相比，经济性好。本文从实际工程角度出发，通过用数值模拟的方式对机载相控阵天线冷板进行流热耦合分析，希望为工程技术