CN111564701A - 适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，包括由M行N列个频率选择单元组成的频率选择阵列、固定在频率选择阵列四周的壁板、位于壁板两侧中间位置的流道进口和流道出口，每个频率选择单元包括上盖、底座、“Y”字形支柱、上层金属贴片、下层金属贴片、金属介质和液冷流道，上层金属贴片印制在上盖的下表面，下层金属贴片印制在底座的上表面，金属介质位于上层金属贴片和下层金属贴片之间，液冷流道内分布冷媒。本发明可用于天线雷达中对电磁波透射和反射的选择，具有散热效果好，压力损失小，适用多种冷媒，使用成本低的优点。

Description

适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达技术领域中的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构。本发明可应用于天线雷达中对电磁波的透射和反射具有选择性的频率选择表面结构。
背景技术
飞行器在大气层中以超高音速飞行时，其周围的空气受到剧烈的摩擦作用，大部分动能转化为热能，致使飞行器周围的空气温度急剧升高，严重的气动加热会影响飞行器结果的振动特性，甚至会对飞行器内部设备造成烧蚀、烧毁。因此，飞行器散热问题已经成为飞行器研究的重点。频率选择表面结构在飞行器以及保护机载天线等方面的应用十分广泛，而现有大多数频率选择结构存在的不足之处在于未考虑散热对频率选择表面结构的影响，流道进出口压力差大，适用环境受限且成本大，冷媒单一。
苏州维业达触控科技有限公司在其提出的专利申请文献“一种频率选择表面结构”专利申请号2018108322656，公开号CN110768019A中公开了一种由正中心开口十字凹槽的单元周期排布形成的频率选择表面结构。该结构包括支撑层和导电层，支撑层采用柔性透明的高分子有机化合物制成，且支撑层的一侧表面上设有十字凹槽，导电层设于十字凹槽内，导电单元为金属结构单元，可根据需要确定凹槽的数量。但是，该结构仍存在的不足之处是未考虑由于天线罩表面的热累积导致的频率选择表面结构散热性差的问题。
西安电子科技大学在其提出的专利申请文献“基于液态金属的可散热频率选择装置”专利申请号2019106477905，公开号CN110504548A中公开了一种通过液态金属在“Y”字型支柱周围流动从而达到散热效果的频率选择表面装置，主要包括频率选择阵列，液态金属进出口。“Y”字型支柱周围分布液态金属，通过“Y”字型支柱对液态金属流动的扰流作用，延长液态金属的流动路径，提高散热效果。但是，该频率选择表面装置存在的不足之处是由于流道是非规整的，液态金属在装置中流动时，“Y”字型支柱对液态金属的扰流会产生压力损失，并且该结构在满足电性能和散热性能的情况下导致冷媒单一，不能根据实际工作要求选择液冷散热冷媒，适用环境受限且成本大。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，解决现有频率选择表面结构散热性差、流道进出口压力差大、适用环境受限且成本大，冷媒单一的问题。
实现上述目的的思路是，在“Y”字周围固定金属贴片和金属介质且单元之间分布液冷流道并流通冷媒，形成频率选择表面，达到频率选择的技术要求；通过电磁泵提供动力使液态金属在流道内循环流动从而带走热量，以实现对系统的高效散热；采用规整的流道设计可以减小流道对流体的影响，以减小流道进出口的压力损失，同时，液冷流道内根据可实际工作要求选择液冷散热冷媒，减少使用成本。
本发明适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，包括由M×N个频率选择单元组成的频率选择阵列、固定在频率选择阵列四周的壁板、均为圆形通孔并位于壁板两侧中间位置的流道进口和流道出口，M≥1，N≥1；频率选择阵列中每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐，每个频率选择单元中包括大小相同的正方形板的上盖、底座、位于上盖和底座之间的“Y”字形支柱，所有频率选择单元的上盖相接构成频率选择阵列的盖板，所有频率选择单元的底座相接构成频率选择阵列的底板，每个频率选择单元还包括上层金属贴片、下层金属贴片，金属介质和液冷流道；印制在上盖的下表面的上层金属贴片、底座的上表面的下层金属贴片和金属介质均为内部有“Y”形通孔的正方形板，三个“Y”型通孔为垂直对应关系，且嵌套在“Y”字形支柱中，金属介质位于上层金属贴片和下层金属贴片之间，位于金属介质四周的液冷流道内分布冷媒。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，由于本发明采用冷媒进行散热，克服了现有结构未考虑由于天线罩表面的热累积导致的频率选择表面结构散热性差的问题，由此使得本发明散热性能更好。
第二，由于本发明采用规整的液冷流道，克服了现有结构中由于流道是非规整的，液态金属在装置中流动时，“Y”字型支柱对液态金属的扰流会产生压力损失的问题，由此使得本发明具有更小的压力损失。
第三，由于本发明采用上层金属贴片、下层金属贴片和金属介质，克服了现有结构在满足电性能和散热性能的情况下导致冷媒单一，不能根据实际工作要求选择液冷散热冷媒，适用环境受限且成本大的问题，由此使得本发明结构液冷散热冷媒不单一，方便用户选择并减少使用成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的频率选择单元的结构示意图；
图3为本发明中频率选择单元的结构的正视图；
图4为本发明中频率选择单元的结构的俯视图；
图5为本发明整体结构的俯视图；
图6为本发明整体结构的右视图；
图7为本发明实施例顶部加上1000℃热源后，采用自然对流方式对结构进行散热得到的整个结构下表面的温度云图；
图8为本发明实施例顶部加上1000℃热源后，以3m/s速度驱动Ga68In20Sn12循环流动对结构进行散热得到的结构下表面的温度云图；
图9为本发明实施例顶部加上1000℃热源后，以3m/s速度驱动Ga68In20Sn12循环流动对结构进行散热，得到的流道进口和流道出口的压力值图；
图10为专利号为2019106477905的发明专利装置顶部加上1000℃的热源后，驱动Ga68In20Sn12循环流动对装置进行散热，得到的液态金属进出口的压力值图；
图11为本发明实施例顶部加上1000℃热源后，以3m/s速度驱动水循环流动对结构进行散热得到的结构下表面的温度云图；
图12为本发明实施例的带通S11曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1所示，对本发明的结构做进一步的描述。
本发明包括由M×N个频率选择单元5组成的频率选择阵列1、固定在频率选择阵列1四周的壁板2、均为圆形通孔并位于壁板2两侧中间位置的流道进口3和流道出口4，M≥1，N≥1；频率选择阵列1中每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐。
参照附图2所示，对本发明的频率选择单元做进一步的描述。
每个频率选择单元5中包括大小相同的正方形板的上盖9、底座13、位于上盖9和底座13之间的“Y”字形支柱8、上层金属贴片10、下层金属贴片12，金属介质11和液冷流道15；印制在上盖9的下表面的上层金属贴片10、底座13的上表面的下层金属贴片12和金属介质11均为内部有“Y”形通孔的正方形板，三个“Y”型通孔为垂直对应关系，且嵌套在“Y”字形支柱8中，金属介质11位于上层金属贴片10和下层金属贴片12之间，位于金属介质11四周的液冷流道15内分布冷媒14。
上层金属贴片10和下层金属贴片12的边长均与上盖9的边长相等，中心均位于上盖9和底座13中心连线上。
金属介质11的边长小于上盖9的边长，金属介质11的中心位于上盖9与底座13中心连线上。
液冷流道15的宽度等于上盖9与金属介质11边长的差值。
上层金属贴片10、金属介质11和下层金属贴片12的边长和厚度均根据实际工作频率进行调整，以使整体结构的带通S11参数值小于-15dB为基准，且内部的“Y”型通孔的大小均与“Y”字形支柱8横截面的大小相等。
“Y”字形支柱8采用将三条直线单元按圆周阵列分布的中心连接型结构，相邻分支的夹角相同或不同，高度、三条直线单元的长度和宽度、相邻直线单元的夹角均根据实际工作频率进行调整，以使整体结构的带通S11参数值小于-15dB为基准。
本发明实施例取但不限于“Y”字形支柱8高度为5mm，上层金属贴片10和下层金属贴片12的厚度均为1mm，如图3所示。
本发明实施例中“Y”字形支柱三条直线单元长度均为3.1mm，宽度均为2.3mm，每相邻两条直线单元的夹角为120°，上层金属贴片10和下层金属贴片12的长、宽均为12.7mm，如图4所示。
所有频率选择单元5的上盖9相接构成频率选择阵列1的盖板6，所有频率选择单元5的底座13相接构成频率选择阵列1的底板7，整体结构的大小取决于频率选择单元排列的行数M和列数N、每个频率选择单元5的尺寸以及壁板2的厚度，即本发明整个结构的高度等于频率选择单元5的高度，整个结构的长度等于N个频率选择单元5的边长与两个壁板2的厚度之和，整个结构的宽度等于M个频率选择单元5的边长与两个壁板2的厚度之和，其中，为减小14对腔体结构的冲击力，每个圆形通孔的直径均小于等于“Y”字形支柱8的高度。
本发明实施例取但不限于M＝20，N＝20，壁板2的厚度为2mm，整个结构的长为258mm、宽为258mm，如图5所示。
本发明实施例流道进口3和流道出口4均为直径Φ＝3mm的圆形通孔，通孔圆心位于壁板2两侧中间位置，整个结构的高为9mm，如图6所示。
本发明实施例中冷媒14选用但不限于水和Ga68In20Sn12，工作时，冷媒的流速通过外部的电磁泵，节流阀和调速器共同调节控制。
上层金属贴片10、下层金属贴片12和金属介质11均为散热性好的金属，本发明实施例中选用但不限于铜。
“Y”字形支柱8、盖板6、底板7以及壁板2均采用耐腐蚀性和透波性好的材料，本发明实施例选用但不限于Al2O3陶瓷材料。
1.仿真条件：
设置“Y”字形支柱8高度为5mm，三个分支长度均为3.1mm、宽度均为2.3mm，相邻两个分支的夹角为120°，上盖9和底座13长、宽均为12.7mm、高均为2mm，上层金属贴片10和下层金属贴片12的长、宽均为12.7mm、厚度均为1mm，M＝20，N＝20，壁板2的厚度为2mm，流道进口3和流道出口4直径均为Φ＝3mm，整个结构的长为258mm、宽为258mm、高为9mm。
冷媒14选用Ga68In20Sn12和水分别进行仿真，Ga68In20Sn12材料密度为6363kg/m3，比热容为366J/kg·k，粘度为0.00222kg/m·s，热导率为16.5w/m·k；水密度为1000kg/m3，比热容为4180J/kg·k，粘度为0.001kg/m·s，热导率为0.6w/m·k。
“Y”字形支柱8、盖板6、底板7以及壁板2均选用Al2O3陶瓷材料，该陶瓷材料的密度为3970kg/m3，比热容为840J/kg·k，热导率为27w/m·k。
金属介质11选用铜材料，其密度为8960kg/m3，比热容为385J/kg·k，热导率为401w/m·k。
设置结构内各个部分之间均不存在接触热阻。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明实施例共有5个仿真，下面结合附图对本发明实施例仿真内容和结果作进一步描述。
仿真1：在本发明实施例结构的顶部加上1000℃热源后，采用自然对流方式对结构进行散热，得到整个结构下表面的温度云图，如图7所示。
仿真2：在本发明实施例结构的顶部加上1000℃热源后，设置冷媒为Ga68In20Sn12，以3m/s速度驱动Ga68In20Sn12循环流动对结构进行散热，得到整个结构下表面的温度云图，如图8所示，流道进口3和流道出口4的压力值，如图9所示。
仿真3，在专利号为2019106477905的发明专利装置顶部加上1000℃的热源后，驱动液态金属循环流动对整个装置进行散热，得到液态金属进出口的压力值，如图10所示。
仿真4，在本发明实例结构的顶部加上1000℃热源后，设置冷媒为水，以3m/s速度驱动水循环流动对结构进行散热，得到整个结构下表面的温度云图，如图11所示。
仿真5，利用商业仿真软件HFSS 2017_18.0对本实例结构的电性能进行仿真，得到带通S11曲线，结果如图12所示。
从图7可以看出，整个结构下表面最高温达485.592℃，说明自然对流散热效果差，在这种情况下，天线系统会出现故障。
从图8可以看出，整个结构下表面最高温只有165.062℃，与自然散热相比散热效果更好。
对比图7和图8结果，表明本发明可降低天线系统的温度，对天线系统进行高效散热。
对比图9和图10结果，本发明结构与专利号为201910647790的发明装置液冷流道进出口压力差分别为60850.72N/m2和127719.4N/m2，表明本发明中规整的液冷流道15可减少冷媒14在流动过程中产生的压力损失。
从图11可以看出，整个结构下表面最高温只有215.317℃，与自然散热相比散热效果更好。
对比图7、图8和图11结果，表明本发明适用冷媒不单一，由此可方便用户选择并减少使用成本。
从图12可以看出，横坐标表示谐振频率，纵坐标表示带通S11参数值，当谐振频率f＝12.98GHz时S11＝-24.519dB，即S11达到-15dB以下，表现出良好的电性能，能够满足现实中的使用要求。

Claims (10)

1.一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，包括由M×N个频率选择单元(5)组成的频率选择阵列(1)、固定在频率选择阵列(1)四周的壁板(2)、均为圆形通孔并位于壁板(2)两侧中间位置的流道进口(3)和流道出口(4)，M≥1，N≥1；频率选择阵列(1)中每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐，每个频率选择单元(5)中包括大小相同的正方形板的上盖(9)、底座(13)、位于上盖(9)和底座(13)之间的“Y”字形支柱(8)，所有频率选择单元(5)的上盖(9)相接构成频率选择阵列(1)的盖板(6)，所有频率选择单元(5)的底座(13)相接构成频率选择阵列(1)的底板(7)，其特征在于，每个频率选择单元(5)还包括上层金属贴片(10)、下层金属贴片(12)，金属介质(11)和液冷流道(15)；印制在上盖(9)的下表面的上层金属贴片(10)、底座(13)的上表面的下层金属贴片(12)和金属介质(11)均为内部有“Y”形通孔的正方形板，三个“Y”型通孔为垂直对应关系，且嵌套在“Y”字形支柱(8)上，金属介质(11)位于上层金属贴片(10)和下层金属贴片(12)之间，位于金属介质(11)四周的液冷流道(15)内分布冷媒(14)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，“Y”字形支柱(8)采用将三条直线单元按圆周阵列分布的中心连接型结构，三条相邻直线单元的夹角相同或不同。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，“Y”字形支柱(8)、盖板(6)、底板(7)以及壁板(2)均采用耐腐蚀性和透波性好的材料。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述上层金属贴片(10)和下层金属贴片(12)的边长均与上盖(9)的边长相等，中心均位于上盖(9)和底座(13)中心连线上。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述金属介质(11)的边长小于上盖(9)的边长，金属介质(11)的中心位于上盖(9)与底座(13)中心连线上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述液冷流道(15)的宽度等于上盖(9)与金属介质(11)边长的差值。
7.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述上层金属贴片(10)、金属介质(11)和下层金属贴片(12)内部的“Y”型通孔的大小均与“Y”字形支柱(8)横截面的大小相等。
8.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述上层金属贴片(10)、下层金属贴片(12)和金属介质(11)的边长和厚度均根据实际工作频率进行调整，以使整个装置的带通S11值小于-15dB。
9.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述上层金属贴片(10)、下层金属贴片(12)和金属介质(11)材料均为散热性好的金属。
10.根据权利要求1所述的一种适用于多种冷媒规整流道可散热的频率选择表面结构，其特征在于，所述冷媒(14)为液冷散热冷媒。
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