CN110600851A - 一种相控阵天线转接冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相控阵天线转接冷却结构，包含由上至下依次层叠连接的天线阵面、馈电转接结构、冷却部件和T/R组件模块，以及穿插在T/R组件模块的T/R组件内的均热板；馈电转接结构设有KK转接连接器，KK转接连接器的一端与馈电转接结构的射频连接器，另一端与T/R组件模块的T/R组件的通道接插件连接；均热板侧端贴合在T/R组件的发热芯片处且均热板上端贴合在冷却部件的冷却通道。本发明可解决现有天线阵面辐射单元与T/R组件通道无法直接相连的问题，既对天线阵面起到支撑作用，又避免因单元数太多导致的插拔安装困难度，同时实现不同排列天线阵面辐射单元与T/R组件各通道间的射频信号传递；保证整个T/R模块在工作状态下表面温度的均匀性，提高安装及维修效率。

Description

一种相控阵天线转接冷却结构

技术领域

本发明涉及相控阵雷达技术领域，适用于解决相控阵天线T/R组件的均匀性散热问题，特别涉及一种相控阵天线转接冷却结构。

背景技术

相控阵天线阵面是由许多辐射单元按一定的间距排列构成，以保证天线各单元的幅度激励和相位关系可控。随着天线阵面与T/R组件排布越来越复杂，T/R通道间距尺寸将无法满足过小的天线阵面阵元间距，传统通过定制新的小型化T/R组件来适配新的天线阵面越来越局限，同时会造成相控阵系统造价过高。

T/R组件是天线实现收发功能的功率模块，也是整个相控阵系统中产生热量最集中的部件，随着天线输出功率的增大，组件的发热量也在急剧增加，为了保证T/R组件的功率器件正常工作，同时提高组件中器件的使用寿命，就必须要对组件进行合理的散热。此外，为了保证相控阵天线辐射波束性能，整个T/R组件模块在工作状态下也应避免出现大温差。

目前采用的散热方式主要是强迫风冷，但风冷受环境、热流密度及空间尺寸的影响，冷却能力很难满足高功耗T/R组件模块的散热要求。有些相控阵天线虽然采用了液冷的散热方式，组件也直接贴合安装在冷板表面，但是往往没有考虑均匀散热过程，造成组件模块局部温差很大，影响相控阵天线的性能。

杨立明在2016年5月的实用新型专利“应用于有源相控阵天线系统的散热装置”(CN201521069868.3)，提出了采用集流器与液冷管路通过管接头进行相连，液冷管路压接于两个T/R组件形成的空腔中。其应用范围和实现方式与本发明有较大差异。陈树芸等人在2013年7月的发明专利“一种机载相控阵雷达天线的散热装置”(CN201110460197.3)，提出在T/R盒体地面外侧面靠近功率器件的部位镶嵌热管，同时两侧各设置液冷冷板作为支撑安装板进行散热，其发明应用范围和实现方式与本发明有较大差异。袁向秋等人在2015年9月的发明专利“一种有源相控阵天线的散热结构”(CN201510589027.3)，提出了两片对称设置的T/R组件中加持的传热装置插接于冷板上用于散热，虽然形式上类似，但是无法满足复杂排列转接结构的散热问题，其应用范围与本发明有所差异。

罗晓宇等人在期刊“电子科技”2018年第31卷第7期发表的论文“Ka相控阵天线模块热设计研究”，提出一种将天线阵列的底板作为冷板，冷板上有液流通道，流动的冷却液将T/R组件产生的热量带走，并且很好地隔离了热对前端阵列天线的影响，与本发明的实现方式和应用范围不同。王从思等人在2013年2月在期刊“电子机械工程”2013年第29卷第1期发表的论文“微通道冷板在有源相控阵天线上的应用”，提出一种矩形微通道冷板的设计方案，相比穿接很多KK连接器通道的水冷板无法应用，与本发明的应用范围不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相控阵天线转接冷却结构，其是一种不需要组件定制就能实现辐射单元与T/R组件各通道间的连接和射频信号传递，又能提高整个相控阵天线散热能力的冷却结构，可以解决现有技术中天线阵面与T/R组件无法直接相连、同时过小的T/R组件通道间距带来的散热问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种相控阵天线转接冷却结构，包含由上至下依次层叠连接的天线阵面、馈电转接结构、冷却部件和T/R组件模块，以及穿插在T/R组件模块的T/R组件内的均热板；所述馈电转接结构设有KK转接连接器，所述KK转接连接器的一端与所述馈电转接结构的射频连接器，另一端与所述T/R组件模块的T/R组件的通道接插件连接，用以实现射频信号的转接传递；所述均热板侧端贴合在T/R组件的发热芯片处且所述均热板上端贴合在所述冷却部件的冷却通道，用以均匀散热。

优选地，所述馈电转接结构采用上下不均等地切割成多个分块，每个分块上方的辐射单元数与下方的T/R组件通道数一样。

优选地，所述天线阵面通过螺纹连接在所述馈电转接结构上端。

优选地，所述馈电转接结构上平面通过插针与所述天线阵面的各辐射单元焊接连接，其中间通过电缆组件引至底部的所述射频连接器。

优选地，所述T/R组件模块包含16个TR分块，每个TR分块包含6个T/R组件，整个T/R组件模块呈十字形排布，所述T/R组件模块下端的侧边径向通过长条形边梁将整个T/R组件模块固定。

优选地，所述天线阵面与所述馈电转接结构整体通过导向销钉与冷却部件上的导向销钉孔导向定位，螺钉穿过馈电转接结构上的通孔紧固安装于所述冷却部件上端；多个工艺螺钉穿过馈电转接结构的分块上的工艺孔顶压所述冷却部件。

优选地，所述冷却部件为两进两出双通道循环散热的水冷板，其每通道包含两个密封水接头，分别为一进水接头和一出水接头，所述进水接头和所述出水接头相邻布置，双通道的四个密封水接头分别设置于所述水冷板四周且对应地关于所述水冷板的中心对称。

优选地，所述水冷板中间设置有穿接KK转接连接器的通道。

优选地，所述均热板包含一体化的多个方形均热板结构；每个均热板结构的两侧端贴合在两个T/R组件的发热芯片位置，以及其上端贴合在水冷板的流道处；所述水冷板流道的布置方向为平行于各个方形均热板结构的穿插方向。

优选地，所述T/R组件模块通过锁紧螺钉与所述水冷板贴合安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明馈电转接结构主要解决的是现有天线阵面辐射单元与T/R组件通道无法直接相连的问题，该馈电转接结构采用上下不均等切割的多分块方式，既对天线阵面起到了支撑作用，又避免了因单元数太多导致的插拔安装困难度，同时又实现了不同排列天线阵面辐射单元与T/R组件各通道间的射频信号传递；(2)本发明为了有效提高T/R模块散热能力，在转接结构与T/R模块之间设置一块两进两出双通道循环水冷板，同时水冷板上设置穿接KK转接连接器的通道；(3)本发明为保证整个T/R模块在工作状态下表面温度的均匀性，在两T/R组件之间设置一体化长条形均热板，均热板的侧面贴合安装在组件功率芯片位置，上表面平行贴合安装在水冷板流道位置，有效保证了组件快速均匀的散热；(4)本发明提供的相控阵天线转接冷却结构通过馈电转接结构将不同排列的天线辐射单元与T/R组件模块相连，有效提高了安装及维修效率，同时双通道循环水冷板与一体化均热板的设置有效解决了T/R组件均匀散热问题。

附图说明

图1为本发明的相控阵天线转接冷却结构示意图；

图2-图3为本发明的馈电转接结构(带KK转接连接器)示意图；

图4为本发明的水冷板示意图；

图5为本发明的T/R组件模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-图5所示，本发明提供了一种相控阵天线转接冷却结构包含由上至下依次布置的天线阵面1、馈电转接结构2、散热结构和T/R组件模块5。其中，馈电转接结构2与天线阵面1骨架做统一性设计，既起到支撑作用，又便于安装、拆卸及组装内部转接器。本发明的馈电转接结构2是保证天线阵面1与T/R组件模块5无法直连时的转接，散热结构用于提高T/R组件模块5的均匀散热能力。

天线阵面1稀疏结构中，辐射单元主要集中在阵面中心，整个天线阵面1通过螺孔24安装于馈电转接结构2上端。

T/R组件模块5包含多个T/R组件42，T/R组件42作为收发功能模块。

散热结构包括一块双通道循环散热的水冷板3和一体化均热板4。水冷板3作为整个相控阵系统的冷却装置，水冷板3设置在馈电转接结构2与T/R组件模块5之间，且水冷板3的中间设有穿接KK转接连接器23的通道(KK转接连接器23即一种转接的接插件，KK转接连接器23设置在馈电转接结构2下端，KK转接连接器2一端与馈电转接结构2的射频连接器27连接，另一端与TR组件的通道接插件41进行连接)。T/R组件模块5通过锁紧螺钉与水冷板3贴合安装。

一体化均热板4包含15条一体化的长方形均热板，并穿插在对应的T/R组件42中，有效保证了热量均匀地传至水冷板3上进行散热。其中，均热板4两侧面贴合安装在两个T/R组件42的发热芯片位置，均热板4上表面贴合安装在水冷板3流道处，保证T/R组件热量均匀有效地传递。水冷板3流道的布置方向为平行于各个均热板4安装方向，冷却水通过平行于各个均热板4方向的内部流道将热量带走。

整个T/R组件模块5由16个相同的TR分块44拼成，每个TR分块由6条TR组件42组成，整个T/R组件模块5呈十字形排布；T/R组件模块5下端的侧边径向通过长条形边梁43将整个模块固定。

天线阵面1和馈电转接结构2之间是通过工艺孔位25进行连接。天线阵面1与馈电转接结构2整体通过导向销钉22与水冷板3上的导向销钉孔33导向定位，螺钉穿过馈电转接结构2的通孔26紧固安装于水冷板3上端。

整个馈电转接结构2采用上下不均等切割的多分块方式，将等数排布的天线辐射单元转接为T/R组件通道排布，保证天线阵面1的阵元间距顺利过渡到T/R组件通道的间距排布，每个分块21的上平面辐射单元数刚好与下平面的T/R组件通道数划分一样，保证了分块测试可行性，又避免了因通道数太多引起插拔力太大，提高了设计的可靠性。

本实施例中，馈电转接结构2采用上下不均等地切割成八个分块21(如图2中所示的数字1-8，分别表示各个分块)，每个分块21的上平面辐射单元数与下平面的T/R组件通道数一样。

馈电转接结构2内部设有电缆组件，天线阵面1的辐射单元能够顺利转接至馈电转接结构2底部的射频连接器27。其中，馈电转接结构2上平面通过插针与天线阵面各辐射单元进行焊接，从馈电转接结构2中间通过电缆组件引至下底面的射频连接器27，然后再通过KK转接连接器23的一端与馈电转接结构2底部的射频连接器27连接，KK转接连接器23的另一端穿接至T/R组件模块5的T/R组件通道，完成射频信号转接传递。

如图1和图2所示，测试装配时，在馈电转接结构2底部通过导向销钉22进行辅助安装，维修拆卸时，通过多个(例如两个)工艺螺钉11穿过馈电转接结构的分块21上的工艺孔25顶压水冷板3进行辅助拆卸。因此，通过导向销钉22和工艺螺钉11的配合，就避免了因通道数太多、插拔力太多引起的安装拆卸施力不均匀情况，提高了设计的可靠性。

如图4所示，水冷板3采用两进两出双通道循环散热方式，水冷板3四周对称布置有四个自密封水接头32，其每通道分布有两个密封水接头32，分别为一进水接头和一出水接头，进水接头和出水接头相邻布置；双通道共有四个密封水接头。冷却水通过平行于各个均热板4方向的内部流道将热量带走，并且避让穿接KK接插件的通道31和工艺螺钉孔11。

每通道的密封水接头包含一进水接头和一出水接头，通过两进两出双通道循环冷却水快速将组件热量带走，即通过双进双出冷却循环水的流动有效保证了热量均匀的被带走。

综上所述，本发明的整个转接冷却结构采用上下层叠安装形式，用于天线阵面与T/R组件通道之间连接的馈电转接结构，主要有不同的切割分块组成，大大提高了安装及维修效率；本发明通过KK转接连接器的一端与馈电转接结构底部射频接插件连接，另一端穿过水冷板通道孔位与T/R组件通道进行连接，保证了射频信号的转接传递；本发明的一体化均热板的穿插结构和两进两出水冷板的安装设置，可以有效提高了整个相控阵系统的均匀散热能力，且结构紧凑。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，包含由上至下依次层叠连接的天线阵面(1)、馈电转接结构(2)、冷却部件和T/R组件模块(5)，以及穿插在T/R组件模块(5)的T/R组件内的均热板(4)；

所述馈电转接结构(2)设有KK转接连接器(23)，所述KK转接连接器(23)的一端与所述馈电转接结构(2)的射频连接器(27)，另一端与所述T/R组件模块(5)的T/R组件的通道接插件(41)连接，用以实现射频信号的转接传递；所述均热板(4)侧端贴合在T/R组件的发热芯片处且所述均热板(4)上端贴合在所述冷却部件的冷却通道，用以均匀散热。

2.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述馈电转接结构(2)采用上下不均等地切割成多个分块(21)，每个分块(21)上方的辐射单元数与下方的T/R组件通道数一样。

3.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述天线阵面(1)通过螺纹连接在所述馈电转接结构(2)上端。

4.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述馈电转接结构(2)上平面通过插针与所述天线阵面(1)的各辐射单元焊接连接，其中间通过电缆组件引至底部的所述射频连接器(27)。

5.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述T/R组件模块(5)包含16个TR分块(44)，每个TR分块包含6个T/R组件(42)，整个T/R组件模块(5)呈十字形排布，所述T/R组件模块(5)下端的侧边径向通过长条形边梁(42)将整个T/R组件模块(5)固定。

6.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述天线阵面(1)与所述馈电转接结构(2)整体通过导向销钉(22)与冷却部件上的导向销钉孔(33)导向定位，螺钉穿过馈电转接结构(2)上的通孔(26)紧固安装于所述冷却部件上端；

多个工艺螺钉(11)穿过馈电转接结构(2)的分块(21)上的工艺孔(25)顶压所述冷却部件。

7.如权利要求1或6所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，所述冷却部件为两进两出双通道循环散热的水冷板(3)，其每通道包含两个密封水接头(32)，分别为一进水接头和一出水接头，所述进水接头和所述出水接头相邻布置，双通道的四个密封水接头(32)分别设置于所述水冷板(3)四周且对应地关于所述水冷板(3)的中心对称。

8.如权利要求7所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述水冷板(3)中间设置有穿接KK转接连接器(23)的通道(31)。

9.如权利要求7所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述均热板(4)包含一体化的多个方形均热板结构；

每个均热板结构的两侧端贴合在两个T/R组件(42)的发热芯片位置，以及其上端贴合在水冷板(3)的流道处；所述水冷板(3)流道的布置方向为平行于各个方形均热板结构的穿插方向。

10.如权利要求1所述的相控阵天线转接冷却结构，其特征在于，

所述T/R组件模块(5)通过锁紧螺钉与所述水冷板(3)贴合安装。