CN103116677B - 一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，该方法包括：1）确定有源相控阵天线的几何模型；2）确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸；3）计算有源相控阵天线阵面的温度分布；4）判断是否满足设计要求。本方法提供了一种利用微通道冷板对天线散热方案，以保证天线能够有效工作并保持高性能。通过考虑高宽比α、宽度W、流体入口速度v和流体入口温度T，利用建模得到不同参数下的温度分布，最终确定参数，与只能凭借经验设计的传统方法相比，本发明可给出最佳设计方案，保证一次满足要求，缩短了设计周期。通过计算阵面温度分布，可判断设计是否满足温度要求，根据温度分布修改参数和流道布局以达到要求，具有工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，微型化、高集成度、大功率电子器件得到广泛应用，雷达系统的组装密度越来越高，导致电子元器件热流密度急剧上升，高散热问题日益突出。随着微电子技术的不断向前发展，高组装密度的大功率芯片必将在有源相控阵雷达T/R组件中大量应用，而这些高集成化高性能器件随着工作频率的迅速提高也使其功率密度急剧上升，部分芯片的发热量已超过100W/cm2，这些器件在工作时所产生的热量若不能及时带走，将会造成器件内部芯片有源区温度上升即结温升高，进而导致器件性能发生漂移，严重威胁设备工作的可靠性，因此随之而来的冷却散热问题成为天线领域的热点问题。
传统的冷却方法一般采用强迫风冷的方法。在一些热流密度比较大,温升要求比较高的设备中，多数采用强迫空气冷却。但是风冷的方法有两个缺点：一是风量过大带来总体和分系统之间的接口设计较为困难；二是管道的选材、加工以及在阵面内的占有空间过大等问题难以解决。
微通道冷板(Microchannel Coldplate)因具有结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠等突出特点，在微电子、航空航天设备、高温超导体以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的设备中广泛使用。正是由于微通道冷板具有许多常规尺寸设备所无可比拟的优越性，近几年微通道冷板的研究和应用发展得非常迅速。由于微通道冷板的微通道截面形状与微通道冷板整体的换热性能密切相关，在微通道冷板的设计中，需要着重进行考虑。传统的设计方法对于不同截面形状的微通道冷板的散热性能规律进行总结，需要进行多次试验以及大量数据。如果完全依靠经验来积累数据成本过高，也很不实际。
因此，通过有限元建模并利用热分析软件来进行热分析计算以及人工数值优化最终确定最佳的结构参数的方法，对该领域微通道冷板的设计是一种有效的技术手段，也是本领域目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有的有源相控阵天线的微通道冷板设计方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，该方法利用热分析软件来进行热分析计算以及人工数值优化确定微通道冷板的最佳结构参数，与传统的凭借经验设计的方法相比，本发明不仅提高了有源相控阵天线的微通道冷板设计效率，还缩短了有源相控阵天线的微通道冷板设计的时间。
本发明是通过以下述技术方案来实现的：
一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，该方法包括下述步骤：
(1)根据有源相控阵天线的结构参数和材料属性，确定有源相控阵天线的几何模型；
(2)根据有源相控阵天线的几何模型，确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸；
(3)确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何形状以及有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何尺寸，建立有源相控阵天线的有限元模型，并计算有源相控阵天线阵面的温度分布；
(4)根据有源相控阵天线的工作温度指标要求，判断有源相控阵天线阵面的温度分布是否满足要求，如果满足要求，则有源相控阵天线微通道冷板结构设计合格；否则，修改有源相控阵天线微通道冷板的几何尺寸以及流道布局，重复步骤(1)到步骤(3)，直至满足要求。
所述步骤(1)中有源相控阵天线的结构参数和材料属性包括微通道冷板、T/R组件、辐射单元以及阵面框架的结构参数和材料属性。
所述步骤(2)中有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的长度、宽度以及厚度。
所述步骤(3)中确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道几何截面尺寸，按照以下步骤进行：
(3a)建立不同截面几何参数的微通道冷板的有限元模型，并确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性和边界条件；
(3b)计算不同截面几何参数下微通道冷板有限元模型的温度分布，确定微通道冷板平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT1，进而通过微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT1，计算出发热面积换热系数流固接触面积换热系数
其中，Q为微通道冷板热交换量，A1为微通道冷板发热面积，A2为流固接触面积；
(3c)根据不同截面几何参数的微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的微通道冷板的截面几何参数；
(3d)计算不同的流体入口速度v与流体入口温度T下，微通道冷板有限元模型的温度分布，确定微通道冷板平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT2，进而通过微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT2，计算出发热面积换热系数h11和流固接触面积换热系数h12；
(3e)根据不同的流体入口速度v与流体入口温度T下微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h11和流固接触面积换热系数h12，确定其中散热性能最优的微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；
(3f)根据步骤(3c)得到的微通道冷板的截面几何参数和根据步骤(3e)得到的流体入口速度v与流体入口温度T确定微通道冷板的微通道尺寸。
所述步骤(3a)中建立不同截面几何参数，截面几何参数为矩形、圆形、三角形或椭圆形截面几何参数。
所述步骤(3a)中微通道冷板的有限元模型包括冷板有限元模型以及冷却液有限元模型。
所述步骤(3)中有源相控阵天线的有限元模型包括微通道冷板的有限元模型、T/R组件的有限元模型、辐射单元的有限元模型以及阵面框架有限元模型。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.本发明提供一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，通过对有源相控阵天线进行建模并计算得到其阵面温度分布，进而判断其散热性能是否合格。本方法提供了一种高效的利用微通道冷板对有源相控阵天线的散热方案，以保证有源相控阵天线在工作状态下能够有效工作并保持高性能。
2.本发明通过考虑有源相控阵天线的微通道冷板高宽比α、宽度W、流体入口速度v以及流体入口温度T，进而利用有限元建模得到不同截面几何参数下微通道冷板的温度分布，最终确定微通道冷板的截面几何参数，充分考虑了有源相控阵天线的微通道冷板的在实际设计中的各种结构设计参数，保证能够一次满足工程测试要求，传统方法只能凭借经验进行微通道冷板设计，与传统方法相比，本方法能够给出最佳冷板设计方案，缩短了有源相控阵天线的微通道冷板的设计周期。
3.通过计算有源相控阵天线有限元模型的阵面温度分布，可以判断微通道冷板设计是否满足有源相控阵天线的温度要求，进一步根据温度分布修改微通道冷板几何参数以及流道布局来进行调整，以达到有源相控阵天线的温度要求，具有实际的工程意义。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明确定最优矩形微通道冷板参数的流程图。
图3是本发明确定最优圆形微通道冷板参数的流程图。
图4是本发明确定最优三角形微通道冷板参数的流程图。
图5是有源相控阵天线的几何模型图。
图6是矩形微通道冷板的几何模型示意图。
图7是矩形微通道冷板有限元模型的温度分布云图。
图8是矩形微通道高宽比与冷板换热系数关系曲线图。
图9是矩形微通道宽度与冷板换热系数关系曲线图。
图10是矩形微通道宽度与微通道出口压降关系曲线图。
图11是矩形微通道流体入口速度v与冷板换热系数关系曲线图。
图12是矩形微通道流体入口温度T与微通道冷板换热系数曲线图。
图13是有源相控阵天线的有限元模型图。
图14是有源相控阵天线阵面的温度分布云图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
参照图1所示，本发明为一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，步骤如下：
步骤一，确定有源相控阵天线的几何模型
根据有源相控阵天线的结构参数，确定有源相控阵天线的几何模型，并在Pro/E中建立有源相控阵天线的几何模型。其中，有源相控阵天线的结构参数和材料属性包括微通道冷板、T/R组件、辐射单元以及阵面框架的结构参数和材料属性；Pro/E是集零件设计、产品装配、模具开发、造型设计、结构设计、仿真以及协同设计开发的功能与一体的3D CAD/CAM设计系统软件。
步骤二，确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸
根据已建立的有源相控阵天线的几何模型，确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸，其中有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的长度、宽度以及厚度。
步骤三，计算有源相控阵天线阵面的温度分布
确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何形状以及有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何尺寸，其中截面几何参数为矩形截面几何参数、圆形截面几何参数或三角形截面几何参数。
下面通过三种不同的微通道几何截面来分别说明如何确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何尺寸。其中微通道冷板的有限元模型包括冷板有限元模型以及冷却液有限元模型。
如图2所示，当有源相控阵天线微通道冷板微通道截面为矩形时，按照以下步骤进行：
(3a)在Pro/E中建立矩形微通道冷板微通道宽度为W、不同高宽比α的矩形微通道冷板的几何模型，其中H为矩形微通道冷板的高度，将矩形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成矩形微通道冷板的有限元模型，再将矩形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，并确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性和边界条件；
(3b)将矩形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同高宽比α下矩形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定矩形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过矩形微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，其中发热面积换热系数流固接触面积换热系数Q为矩形微通道冷板热交换量，A1为矩形微通道冷板发热面积，A2为流固接触面积；
(3c)根据不同高宽比α下矩形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的高宽比α；
(3d)在Pro/E中建立矩形微通道冷板微通道确定高宽比α、不同宽度为W的矩形微通道冷板的几何模型，其中H为矩形微通道冷板的高度，将矩形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成矩形微通道冷板的有限元模型，再将矩形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，并确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；将矩形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同宽度W下矩形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定矩形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过矩形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；
(3e)根据不同宽度W下矩形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的宽度W；
(3f)在Pro/E中建立矩形微通道冷板微通道确定高宽比α与宽度W、不同流体入口速度v与流体入口温度T下矩形微通道冷板的几何模型，其中H为矩形微通道冷板的高度，将矩形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成矩形微通道冷板的有限元模型，再将矩形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，并确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；将矩形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同流体入口速度v与流体入口温度T下矩形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定矩形微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过矩形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；
(3g)根据不同流体入口速度v与流体入口温度T下矩形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；
(3h)根据步骤(3c)、(3e)与(3g)得到的矩形微通道冷板的高宽比α、宽度W、流体入口速度v以及流体入口温度T确定矩形微通道冷板的微通道尺寸。
如图3所示，当有源相控阵天线微通道冷板微通道截面为圆形时，按照以下步骤进行：
(3a’)建立不同直径d的圆形微通道冷板的有限元模型；在Pro/E中建立圆形微通道冷板的建立不同直径d的圆形微通道冷板的有限元模型，将圆形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成圆形微通道冷板的有限元模型，再将圆形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，确定圆形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；
(3b’)将圆形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同直径d下圆形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定圆形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过圆形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，其中发热面积换热系数流固接触面积换热系数Q为圆形微通道冷板热交换量，A1为圆形微通道冷板发热面积，A2为流固接触面积；
(3c’)根据不同直径d下圆形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的圆形微通道冷板的直径d；
(3d’)在Pro/E中建立确定直径d、不同流体入口速度v与流体入口温度T下圆形微通道冷板的有限元模型，将圆形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成圆形微通道冷板的有限元模型，再将圆形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，确定圆形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；将圆形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同流体入口速度v与流体入口温度T下圆形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定圆形微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过圆形微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；
(3e’)根据不同流体入口速度v与流体入口温度T下圆形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的圆形微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；
(3f’)根据步骤(3c’)与(3e’)得到的圆形微通道冷板直径d、圆形微通道冷板流体入口速度v以及流体入口温度T确定圆形微通道冷板的微通道尺寸。
如图4所示，当有源相控阵天线微通道冷板微通道截面为三角形时，按照以下步骤进行：
(3a”)在Pro/E中建立三角形微通道冷板的建立不同底边长度l的三角形微通道冷板的有限元模型，将三角形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成三角形微通道冷板的有限元模型，再将三角形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，确定三角形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；
(3b”)将三角形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同底边长度a下三角形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定三角形微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过三角形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，其中发热面积换热系数流固接触面积换热系数Q为三角形微通道冷板热交换量，A1为三角形微通道冷板发热面积，A2为流固接触面积；
(3c”)根据不同底边长度l下三角形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的三角形微通道冷板的底边长度a；
(3d”)在Pro/E中建立三角形微通道冷板的建立相同底边长度l、不同高度h的三角形微通道冷板的有限元模型，将三角形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成三角形微通道冷板的有限元模型，再将三角形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，确定三角形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；将三角形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同高度h下三角形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定三角形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过三角形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；
(3e”)在Pro/E中建立三角形微通道冷板的建立相同底边长度l与相同高度h、不同流体入口速度v与流体入口温度T下的三角形微通道冷板的有限元模型，将三角形微通道冷板的几何模型导入CFX软件的ICEM CFD模块中进行网格划分，生成三角形微通道冷板的有限元模型，再将三角形微通道冷板的有限元模型文导入CFX-Pre模块进行前处理，确定三角形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件；根据不同高度h下三角形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的三角形微通道冷板的高度h；
(3f”)将三角形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同流体入口速度v与流体入口温度T下三角形微通道冷板有限元模型的温度分布，确定三角形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT，进而通过三角形微通道冷板的平均温度与微通道内冷却液的平均温度的温差ΔT计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；
(3g”)根据不同流体入口速度v与流体入口温度T下三角形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的三角形微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；
(3h”)根据步骤(3c”)、(3e”)与(3g”)得到三角形微通道冷板的底边长度a、高度h、三角形微通道冷板流体入口速度v以及流体入口温度T确定三角形微通道冷板的微通道尺寸。
上述有源相控阵天线微通道冷板微通道截面或为椭圆形，微通道冷板设计方法基本与三角形相似，所不同的是在步骤(3a”)中在Pro/E中建立椭圆形微通道冷板的建立不同长轴a的椭圆形微通道冷板的有限元模型；在步骤(3d”)中在Pro/E中建立椭圆形微通道冷板的建立相同长轴a、不同短轴b的椭圆形微通道冷板的有限元模型；在步骤(3e”)中在Pro/E中建立椭圆形微通道冷板的建立相同长轴a与相同短轴b、不同流体入口速度v与流体入口温度T下的椭圆形微通道冷板的有限元模型，最终得到椭圆形微通道冷板的长轴a、短轴b、椭圆形微通道冷板流体入口速度v以及流体入口温度T确定椭圆形微通道冷板的微通道尺寸。
在确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何尺寸后，在Icepak软件中建立有源相控阵天线的有限元模型，其中有源相控阵天线的有限元模型包括微通道冷板的有限元模型、T/R组件的有限元模型、辐射单元的有限元模型以及阵面框架有限元模型，确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件，并计算有源相控阵天线阵面的温度分布。Icepak软件是专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。借助Icepak的分析和优化结果，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的开发周期。
步骤四、判断是否满足设计要求
根据有源相控阵天线的工作温度指标要求，判断有源相控阵天线阵面的温度分布是否满足要求，如果满足要求，则有源相控阵天线微通道冷板结构设计合格；否则，修改有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸以及流道布局，重复步骤一到步骤三，直至满足要求。
下面通过有源相控阵天线微通道冷板微通道为矩形时的仿真实验对本发明做进一步说明：
1.微通道冷板仿真结构参数
为验证面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法的正确性，先将矩形微通道冷板应用于有源相控阵天线。矩形微通道冷板以及冷却液的材料属性如表1所示。
表1 微通道冷板以及冷却液的材料属性
2.计算微通道冷板的散热性能
矩形微通道冷板的散热性能可以通过以下五步得到：
1)确定有源相控阵天线的几何模型
根据有源相控阵天线的结构参数和材料属性，确定有源相控阵天线的几何模型，有源相控阵天线的几何模型如图5所示；
2)确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸
根据已建立的有源相控阵天线的几何模型，确定有源相控阵天线矩形微通道冷板的外形尺寸，其中有源相控阵天线矩形微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的长度、宽度以及厚度。有源相控阵天线矩形微通道冷板的外形尺寸如表2所示。
表2 矩形微通道冷板的外形尺寸
3)计算有源相控阵天线阵面的温度分布
确定有源相控阵天线矩形微通道冷板的微通道截面几何尺寸，按照以下步骤进行：
(a)在Pro/E中建立矩形微通道冷板微通道宽度为W、不同高宽比α的矩形微通道冷板的几何模型，矩形微通道冷板的几何模型示意图如图6所示，图中W为微通道宽度，H为微通道高度，箭头方向冷却液流动方向；其中矩形微通道冷板微通道宽度W为0.4mm，通道之间肋厚为0.5mm，高宽比α分布为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10；确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件，矩形微通道冷板流体入口流速为0.6m/s，入口温度为20℃，出口相对静压0Pa，冷板上下表面热流量为HF＝75000W/m2。
(b)将矩形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算矩形微通道冷板有限元模型的温度分布云图如图7所示；计算出发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，不同高宽比α下矩形微通道冷板有限元模型的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2如表3所示。
表3 不同高宽比α下的h1与h2
(c)确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的高宽比α；微通道高宽比与冷板换热系数关系曲线如图8所示，由图8可以看出，在相同流速下，矩形微通道冷板的换热系数随着微通道高宽比的增大而增大，同等流速下增大微通道的高宽比α是提高冷板散热能力的有效途径；另一方面，结合表3中的数据可以看出，当高宽比小于2时，发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2较为明显，而当高宽比α大于2时，发热面积换热系数h1继续增大，流固接触面积换热系数h2的增长趋于平稳，这说明进一步提升α对流固接触面积换热系数h2影响不大。因而在有源相控阵雷达的应用中微通道高宽比α应不小于2；在本实施例中将高宽比α取为2。
(d)在确定最优高宽比α等于2之后，在Pro/E中建立不同宽度W下的矩形微通道冷板的几何模型，计算不同宽度W下矩形微通道冷板有限元模型的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2；不同宽度W下矩形微通道冷板有限元模型的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2如表4所示。
表4 不同宽度W下的h1与h2
(e)根据不同宽度W下矩形微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的宽度W；微通道宽度与冷板换热系数关系曲线如图9所示，微通道宽度与微通道出口压降关系曲线如图10所示，由图9可以看出，在相同流速下，当微通道宽度W减小时，冷板换热系数逐渐增大；另一方面，结合图10中的曲线可以看出，通道宽度越小压降越大，当通道宽度W小于0.3mm时，微通道出口压降增大比较明显，当通道宽度W大于0.3mm时，微通道出口压降增大速度明显变缓，这说明进一步减小对散热性能影响不大。因而，综合考虑以上两方面因素，在相控阵雷达的应用中微通道宽度W应不小于0.3mm；在本实施例中将微通道宽度W取为0.3mm。
(f)将矩形微通道冷板的有限元模型导入CFX-Solver模块中进行求解，计算不同流体入口速度v与流体入口温度T下发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，其中，流体入口速度v取0.1m/s至1.5m/s，取值间隔0.1；流体入口温度T取5℃至45℃，取值间隔5。不同流体入口速度v下矩形微通道冷板有限元模型的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2如表5所示；不同流体入口温度T下矩形微通道冷板有限元模型的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2如表6所示。
表5 不同流体入口速度v下的h1与h2
表6 不同流体入口温度T下的h1与h2
(g)确定其中散热性能最优的矩形微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；矩形微通道流体入口速度v与冷板换热系数关系曲线如图11所示，矩形微通道流体入口温度T与微通道冷板换热系数曲线如图12所示。从图11可以看出，在矩形微通道尺寸不变时，流体入口速度v增大，冷板的换热系数升高；当流体入口速度v小于1m/s时，发热面积换热系数h1与流固接触面积换热系数h2增大比较明显，当流体入口速度v大于1m/s时，微通道出口压降增大速度明显变缓，这说明进一步增大流体入口速度v对散热性能影响不大。因此，在相控阵雷达的应用中流体入口速度v应不小于1m/s；在本实施例中将流体入口速度v取为1m/s。从图12可以看出，流体入口温度T下降时，冷板换热系数有所升高。当流体入口温度T小于20℃时，发热面积换热系数h1与流固接触面积换热系数h2下降比较平缓，说明在这个温度区间内入口温度都散热性能影响有限；当流体入口温度T大于20℃时，发热面积换热系数h1与流固接触面积换热系数h2下降明显增大，这说明进一步增大流体入口温度T使得散热性能恶化，不能有效地达到散热的效果。在本实施例中将流体入口温度T取为20℃。
(h)根据步骤(c)、(e)与(g)得到的矩形微通道冷板的高宽比α、宽度W、流体入口速度v以及流体入口温度T确定矩形微通道冷板的微通道尺寸。综上所述，矩形微通道冷板的高宽比α取为2，宽度W取为0.3mm，流体入口速度v取为1m/s，流体入口温度T取为20℃。
在确定有源相控阵天线矩形微通道冷板的微通道截面几何尺寸后，在Icepak软件中建立有源相控阵天线的有限元模型，其中有源相控阵天线的有限元模型包括矩形微通道冷板、T/R组件、辐射单元以及阵面框架有限元模型，有源相控阵天线的有限元模型如图13所示。确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性的和边界条件，矩形微通道冷板、T/R组件、以及阵面框架的材料为铝，辐射单元的材料为PCB印制板，冷却液的材料为水；矩形微通道冷板流体入口流速为1m/s，入口温度为20℃，出口相对静压0Pa，每一个T/R组件热耗为40W，并计算有源相控阵天线阵面的温度分布。
3.仿真结果
利用以上四步得到有源相控阵天线阵面的温度分布，有源相控阵天线阵面的温度分布云图如图14所示，从图14可以看出有源相控阵天线最高温度316.6K，即43.6℃，最低温度293.1K，即20.1℃；最高温度与最低温度相差43.5℃。相控阵天线的散热指标主要有两个方面。1)有源相控阵天线T/R组件90％的热量来自其内部的功率放大器，且功率放大器对温度较为敏感，其电性能随着温度升高逐步恶化，根据天线电性能的要求，必须使T/R组件的功率放大器节温低于许可值80℃，以提高T/R增益，保证它正常可靠地工作。在图14中T/R组件最高温度316.6K，即43.6℃，小于T/R组件的功率放大器节温许可值80℃，故符合散热设计要求；2)有源相控阵天线的热设计应满足温度一致性要求，即控制整个天线阵面的温差不能过大，因为阵面温差过大不仅会影响T/R组件相位一致性，还会使天线冷板与T/R组件外壳产生热变形，这些因素都会影响有源相控阵天线电性能，通常温度一致性要求温差最大为7℃。在图14中辐射单元组件最高温度300.2K，即27.2℃；最低温度295.5K，即22.3℃，有源相控阵天线阵面最大温差4.7℃，小于温度一致性要求温差最大7℃，故满足温度一致性要求。
Claims (7)
1.一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)根据有源相控阵天线的结构参数和材料属性，确定有源相控阵天线的几何模型；
(2)根据有源相控阵天线的几何模型，确定有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸；
(3)确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何形状以及有源相控阵天线微通道冷板的微通道截面几何尺寸，建立有源相控阵天线的有限元模型，并计算有源相控阵天线阵面的温度分布；
(4)根据有源相控阵天线的工作温度指标要求，判断有源相控阵天线阵面的温度分布是否满足要求，如果满足要求，则有源相控阵天线微通道冷板结构设计合格；否则，修改有源相控阵天线微通道冷板的几何尺寸以及流道布局，重复步骤(1)到步骤(3)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中有源相控阵天线的结构参数和材料属性包括微通道冷板、T/R组件、辐射单元以及阵面框架的结构参数和材料属性。
3.根据权利要求1所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中有源相控阵天线微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的长度、宽度以及厚度。
4.根据权利要求1所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定有源相控阵天线微通道冷板的微通道几何截面尺寸，按照以下步骤进行：
(3a)建立不同截面几何参数的微通道冷板的有限元模型，并确定矩形微通道冷板的有限元模型的材料属性和边界条件；
(3b)计算不同截面几何参数下微通道冷板有限元模型的温度分布，确定微通道冷板平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT1，进而通过微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT1，计算出发热面积换热系数流固接触面积换热系数
其中，Q为微通道冷板热交换量，A1为微通道冷板发热面积，A2为流固接触面积；
(3c)根据不同截面几何参数的微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h1和流固接触面积换热系数h2，确定其中散热性能最优的微通道冷板的截面几何参数；
(3d)计算不同的流体入口速度v与流体入口温度T下，微通道冷板有限元模型的温度分布，确定微通道冷板平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT2，进而通过微通道冷板有限元模型平均温度与微通道内冷却液平均温度的温差ΔT2，计算出发热面积换热系数h11和流固接触面积换热系数h12；
(3e)根据不同的流体入口速度v与流体入口温度T下微通道冷板有限元模型计算出的发热面积换热系数h11和流固接触面积换热系数h12，确定其中散热性能最优的微通道冷板的流体入口速度v与流体入口温度T；
(3f)根据步骤(3c)得到的微通道冷板的截面几何参数和根据步骤(3e)得到的流体入口速度v与流体入口温度T确定微通道冷板的微通道尺寸。
5.根据权利要求4所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤(3a)中建立不同截面几何参数，截面几何参数为矩形、圆形、三角形或椭圆形截面几何参数。
6.根据权利要求4所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤(3a)中微通道冷板的有限元模型包括冷板有限元模型以及冷却液有限元模型。
7.根据权利要求1所述的一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中有源相控阵天线的有限元模型包括微通道冷板的有限元模型、T/R组件的有限元模型、辐射单元的有限元模型以及阵面框架有限元模型。
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