CN107834152A - 一种利用fss和微型热管实现阵面散热的共形承载天线 - Google Patents

一种利用fss和微型热管实现阵面散热的共形承载天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：至少包括，透波罩体单元，用于承受外部载荷保护内部天线；天线单元；透波罩体单元和天线单元通过导热材料进行热压粘接，构成共形承载天线。本发明由含微型热管和金属频率选择表面FSS构成的散热结构形成罩体部分，微型热管将天线阵面的热量传递到蒙皮中的FSS，利用外部高速气流实现散热的同时，还可以有效增加其结构刚强度，有利于CLAS的结构和热功能特性的提高，并具有频率选择透波的特性。

Description

一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线
技术领域
本发明涉及一种共形承载天线，特别是一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线。
背景技术
共形承载天线（Conformal Load-bearing Antenna Structure, CLAS）是一种兼具天线电磁功能和结构承载功能的天线结构，可与载体外形高度融合，极具应用前景。
相控阵天线阵面传统罩体的介质蒙皮和填充芯层为一体结构，相控阵天线阵面工程中有其天线有严格的温差要求（如Ka频段要求阵面温差≤3℃，X频段阵面温差≤7℃），透波罩体和填充芯层受温度变化影响很大，很难达到天线设计要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可降低设计难度、能避开电路与天线互联结构的布局约束、增加结构刚强度，具有频率选择透波特性的利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线。
本发明的目的是这样实现的，一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：至少包括，透波罩体单元，用于承受外部载荷保护内部天线；天线单元；透波罩体单元和天线单元通过导热材料进行热压粘接，构成共形承载天线。
所述的透波罩体单元包括外部的介质蒙皮和内部的填充芯层，天线单元包括天线阵面和波控电源，对有源相控阵体制，天线阵面后至少有散热通道和T/R电路。
所述的介质蒙皮或是玻璃钢，填充芯层是蜂窝泡沫，天线阵面是微带天线阵列，散热通道是液冷微通道。
所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：还包括透波罩体单元的频率选择表面FSS和天线单元的芯片电路散热结构；频率选择表面FSS集成于透波罩体单元的透波罩体中，频率选择表面FSS在充分利用介质蒙皮表面高速气流散热的同时，还能增加结构刚性强度。
所述的散热通道放置于T/R电路下方。
所述的介质蒙皮和填充芯层下方有导热材料，导热材料用于传递天线阵面的热量。
所述的导热材料上的填充芯层里加入微型热管，微型热管其高度在2mm到20mm之间，微型热管单根直径约在1-2mm之间，微型热管用于传递导热材料的热量。
所述的最外层介质蒙皮的厚度在2-9mm之间，介质蒙皮上面分布有频率选择表面FSS，频率选择表面FSS为金属结构，与微型热管接触。
本发明的优点是，由含微型热管和金属频率选择表面FSS构成的散热结构形成罩体部分，微型热管将天线阵面的热量传递到蒙皮中的FSS，利用外部高速气流实现散热的同时，还可以有效增加其结构刚强度，有利于CLAS的结构和热功能特性的提高，并具有频率选择透波的特性。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线实施例结构示意图；
图2是透波罩体单元结构示意图；
图3是十字环形单元结构示意图；
图4是频率选择表面结构示意图；
图5是FSS阵列与天线阵列组合。
图中,1、透波罩体单元；101、介质蒙皮；102、填充芯层；2、天线单元；201、天线阵面；202、波控电源；201、天线阵面；203、散热通道；204、T/R电路；3、导热材料；4、微型热管；5、频率选择表面FSS。
具体实施方式
参见图1所示，一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，至少包括：透波罩体单元1，用于承受外部载荷保护内部天线；天线单元2；透波罩体单元1和天线单元2通过导热材料3进行热压粘接，构成共形承载天线。
透波罩体单元包括外部的介质蒙皮101和内部的填充芯层102，天线单元2包括天线阵面201和波控电源202，对有源相控阵体制，天线阵面201后至少有散热通道203和T/R电路204。
介质蒙皮101或是玻璃钢，填充芯层102是蜂窝泡沫，天线阵面201是微带天线阵列，散热通道203是液冷微通道。
还包括透波罩体单元1的频率选择表面FSS5和天线单元2的芯片电路散热结构205；前者集成于透波罩体单元1的透波罩体中，频率选择表面FSS5在充分利用介质蒙皮101表面高速气流散热的同时，还能增加结构刚性强度。
散热通道203放置于T/R电路204下方，设计时就避开了电路与天线互联结构的布局约束，可降低设计难度。
如图2所示,本发明在介质蒙皮101和填充芯层102下方有导热材料3，导热材料3用于传递天线阵面的热量。
导热材料3上的填充芯层102里加入微型热管4，微型热管4其高度在2mm到20mm之间，微型热管4单根直径约在1-2mm之间，微型热管4用于传递导热材料3的热量。
工程中相控阵天线阵面有严格的温差要求（如Ka频段要求阵面温差≤3℃，X频段阵面温差≤7℃），因此微型热管4或散热微通道5分布使得整个天线阵面的温度分布均匀。
本发明CLAS采用微带天线阵的形式，具体结构和参数如下，介质基板材料为Roger RT/duriod 5880,介电常数为 2.2，损耗因子为0.0009，介质基板上设计2个相同的微带天线，天线为集总端口激励，阻抗为50欧姆，计算频率12.5GHz。
如图3所示，频率选择表面FSS5在满足特定频段电磁透波要求的同时，因尽可能增大金属部分面积，以增强散热能力。由于十字环形单元的结构简单，有良好的对称性，极化以及入射角对其影响不大，并且也满足天线所需的带通特性。所以选用十字环形单元作为频率选择表面FSS5的基础单元。
考虑微带天线工作频率12.5GHZ，设计出的频率选择表面（FSS）的单元参数如下表所示，组成频率选择表面FSS5阵列如图4所示，与天线阵列组合以后形式的如图5所示，频率选择表面FSS5需要对称布置，也可以布满整个阵面。
十字环形单元的尺寸外臂长L是2.7mm，外臂宽W是0.5mm，内臂长Q是2.6mm，内臂宽t是0.45mm，十字环形单元的尺寸的高度A是6mm。
如图5所示，最外层介质蒙皮101的厚度在2-9mm之间，介质蒙皮101上面分布有频率选择表面FSS5，频率选择表面FSS5为金属结构，金属结构有利于散发热量，频率选择表面FSS5的具体结构和尺寸根据散热和电磁透波要求设计。填充芯层102的微型热管4使天线阵面201的热量传递到介质蒙皮101，利用外部高速气流实现散热的同时，还可以有效增加其结构刚强度，有利于CLAS的结构和热功能特性的提高，并具有频率选择透波的特性。
如图1和图5所示，微型热管4布置在金属天线单元1的上方，具体位于导热材料3和频率选择表面FSS5之间，与频率选择表面FSS5的金属结构直接接触，在每个微带天线单元上满足相同数量和分布。微型热管4直径1-2mm。根据散热需要，设置热管数量。
频率选择表面FSS（Frequency Selective Surface）是一种二维周期阵列结构，就其本质而言是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。FSS 具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。
本发明的特征是：
1、本发明CLAS采用微带天线阵的形式，介质基板材料为 Roger RT/duriod 5880,介电常数为 2.2，损耗因子为0.0009，介质基板上设计2个相同的微带天线，天线为集总端口激励，阻抗为50欧姆，计算频率12.5GHz。
2、所以选用十字环形单元作为本次设计的频率选择表面的基础单元，频率选择表面FSS的设计在满足特定频段电磁透波要求的同时，采用大金属面积，增强散热能力。由于十字环形单元的结构简单，有良好的对称性，极化以及入射角对其影响不大，并且也满足天线所需的带通特性。
3、布置热管的位置和数量，热管应尽量布置在微带天线金属面上方，根据需要也可少量布置在其它位置，与FSS金属结构直接接触。且应在每个微带天线单元上满足相同数量和分布。热管直径1-2mm。根据散热需要，设置合适的热管数量。
4、热管和天线阵面之间设置导热材料，热管接触导热材料而不与微带天线金属表面直接接触。
应用实例：
表1和表3数据可以看出理想天线在加上设计的频率选择表面之后最大增益有所下降，并且可以根据电磁辐射能量守恒可以看到三维增益方向图的副瓣有所提高。设计的带散热结构的频率选择表面加载于理想天线之上，最大增益减小0.83，主瓣宽度减小0.67。在合理范围之内，
表1 各结构类型所对应的电性能参数
结构类型 最大增益/dB 主瓣宽度/deg 主瓣位置 左副瓣 右副瓣
理想天线 9.47 29.72 0 -12.87 -12.76
天线与FSS及热管 8.64 29.05 0 -14.91 -13.76
天线阵面的温度分布如下图所示，改善散热情况如下表所示：
表2 不同热管放置位置时的散热效果
表3不同热管数量时的散热效果
可见，将热管和FSS结合可有效实现天线阵面散热，改善温度均匀性，并满足基本电性能要求。

Claims (8)

1.一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：至少包括，透波罩体单元（1），用于承受外部载荷保护内部天线；天线单元（2）；透波罩体单元（1）和天线单元（2）通过导热材料（3）进行热压粘接，构成共形承载天线。
2.根据权利要求1所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的透波罩体单元（1）包括外部的介质蒙皮（101）和内部的填充芯层（102），天线单元（2）包括天线阵面（201）和波控电源（202），对有源相控阵体制，天线阵面（201）后至少有散热通道（203）和T/R电路（204）。
3.根据权利要求2所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的介质蒙皮（101）或是玻璃钢，填充芯层（102）是蜂窝泡沫，天线阵面（201）是微带天线阵列，散热通道（203）是液冷微通道。
4.根据权利要求1所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：还包括透波罩体单元（1）的频率选择表面FSS（5）和天线单元（2）的芯片电路散热结构（205）；频率选择表面FSS（5）集成于透波罩体单元（1）的透波罩体中，频率选择表面FSS（5）在充分利用介质蒙皮（101）表面高速气流散热的同时，还能增加结构刚性强度。
5.根据权利要求2所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的散热通道（203）放置于T/R电路（204）下方。
6.根据权利要求2所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的介质蒙皮（101）和填充芯层（102）下方有导热材料（3），导热材料（3）用于传递天线阵面的热量。
7.根据权利要求6所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的导热材料（3）上的填充芯层（102）里加入微型热管（4），微型热管（4）其高度在2mm到20mm之间，微型热管（4）单根直径约在1-2mm之间，微型热管（4）用于传递导热材料（3）的热量。
8.根据权利要求2所述的一种利用FSS和微型热管实现阵面散热的共形承载天线，其特征是：所述的最外层介质蒙皮（101）的厚度在2-9mm之间，介质蒙皮（101）上面分布有频率选择表面FSS（5），频率选择表面FSS（5）为金属结构，与微型热管（4）接触。
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