CN112038745B - 基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置 - Google Patents

基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,包括多个散热单元和中央控制器,每个散热单元以阵列形式对应贴设于一个热源的上表面;每个散热单元为帕尔贴散热元件,帕尔贴散热元件的贴合面为吸热面,相对面为散热面,其贴合面上开设有凹槽,凹槽内嵌装温度传感器;温度传感器的信号输出端与中央控制器的第一信号输入端电连接,中央控制器内具有供电单元,供电单元用于给有源相控阵雷达天线的强迫外冷单元和帕尔贴散热元件供电。本发明能够以阵列形式实时精准调控天线阵面上各热源温度,实现雷达天线阵面的自主散热,具有良好的散热性能和均温效果,避免出现局部温度过高导致的雷达探测性能降低的问题。

Description

基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置
技术领域
本发明涉及雷达散热技术领域,具体涉及一种基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置。
背景技术
有源相控阵雷达的威力大小与T/R组件的输出功率直接相关,而T/R组件是有源相控阵雷达天线最核心的部件,包含了功率放大器、低噪声放大器和限幅器等发热器件;因此,T/R组件工作时会产生大量热量。
为了最大限度的提升雷达探测能力,几千甚至上万个T/R组件集成在天线阵面上,导致雷达天线阵面上单位面积的热流密度急剧上升。当冷板表面温度升至60℃时,将引起T/R组件接收增益骤降。若接收增益下降为原来的50%,探测距离将变为原来的70.71%;当冷板表面温度超过120℃时,高功率放大芯片的性能则会急剧恶化甚至失效。此外,当两个T/R组件的表面温度相差超过10℃时,其输出信号的相位差将影响天线的波束空间合成性能,势必严重削弱雷达天线的探测距离与精度。因此,有源相控阵雷达天线不仅需要极高的散热效率,还需要T/R组件散热系统具备优良的均温性能。
目前,广泛使用的雷达冷却散热方式主要为自然冷却、强迫风冷(开式和闭式)、液冷(常规和制冷型)以及相变(热管)冷却等。尽管现有雷达冷却散热方式具有较高的冷却效率,但却依然跟不上雷达天线阵面日益增长的散热需求。具体地,现有的雷达散热设计多采用被动冷却方式,不依赖于外界信息注入和干预,仅依靠散热器件间自然形成的“温度梯度”进行热量传递,散热效率低,不能完全发挥各个散热方式的散热潜力;同时,散热器件与自然热沉之间的热交换通常以供风与供液的形式按照一定速度流过热源上的散热器件将热量带走,都是整体性降温,缺乏对每个热源的精准控温,且没有考虑不同热源间的温差。
由此可见,目前雷达散热技术无法充分发挥现有冷却方式的散热潜能,散热效率低,且均温性差。随着有源相控阵雷达探测性能的发展,现有的雷达散热技术难以满足雷达天线阵面日益增长的散热需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提出一种基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,能够实现雷达天线阵面实时的自主散热,保证每个天线阵面上的热源能够及时的进行温度调控,避免出现局部温度过高导致的雷达探测性能降低的问题;且能够达到良好的均温效果。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现。
基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,有源相控阵雷达天线阵面具有阵列式分布的多个热源,所述散热装置包括多个散热单元和中央控制器,每个散热单元对应贴设于一个所述热源的上表面;所述散热单元的贴合面面积不小于对应热源的上表面面积;
每个散热单元为帕尔贴散热元件,所述帕尔贴散热元件的贴合面为吸热面,与贴合面相对应的帕尔贴散热元件的另一端面为散热面;所述帕尔贴散热元件的贴合面上开设有凹槽,所述凹槽内嵌装有温度传感器,所述凹槽与温度传感器的形状相匹配,使帕尔贴散热元件的贴合面保持理想平面的平面度,所述雷达具有多个温度感应器,每个温度感应器朝向对应的帕尔贴散热元件的散热面;所述温度传感器的信号输出端与中央控制器的第一信号输入端电连接,所述温度感应器的信号输出端与中央控制器的第二信号输入端电连接;
所述中央控制器内具有供电单元,所述供电单元用于给有源相控阵雷达天线的强迫外冷单元和帕尔贴散热元件供电。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于:
进一步地,所述帕尔贴散热元件由支撑体和多对热电元件组成,两对热电元件之间具有间隙,且通过铜导片电连接;每对热电元件由P型半导体和N型半导体组成,所述P型半导体和N型半导体通过铜导片电连接。
进一步地,所述帕尔贴散热元件的散热面上涂覆有散热涂层,
进一步地,所述帕尔贴散热元件与热源之间涂覆有导热膏。
进一步地,位于最右侧靠近支撑体的N型半导体与供电单元的电源正极连接,位于最左侧靠近支撑体的P型半导体与供电单元的电源负极连接。
进一步地,所述支撑体为绝缘导热陶瓷材料。
进一步地,所述热源为T/R组件。
进一步地,所述中央控制器根据每个帕尔贴散热元件上的温度传感器探测的温度对应的电信号,获取该帕尔贴散热元件所需的散热功率,计算该帕尔贴散热元件所需的电流大小,从而控制供电单元的电源给该帕尔贴散热元件输送对应的电流。
更进一步地,所述计算该帕尔贴散热元件所需的电流大小的计算公式为:
其中,P为帕尔贴散热元件的散热功率,SE为塞贝克系数,R为电阻值,KA为帕尔贴元件的传热系数,I为帕尔贴散热元件上的电流值;ΔT为帕尔贴散热元件的吸热面与散热面之间的温差。
更进一步地,所述中央控制器控制每个帕尔贴散热元件散热功率,使两个热源之间的温差实时处于预设阈值之内,保证雷达天线阵面的均温性能。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明基于帕尔贴效应设计了帕尔贴散热元件,通过将帕尔贴散热元件以阵列形式贴设于有源相控阵雷达天线阵面的热源上,从而实现雷达天线阵面上每个热源的散热,达到每个热源的单独控制,精确控温的效果,避免雷达阵面热源的局部温度过高导致的性能下降问题。
(2)本发明中每个帕尔贴散热元件散发的热量最终都通过雷达本身固有的强迫冷却单元带走,实现最终热量耗散;同时控制强迫冷却单元的功率大小与本装置的散热量相匹配,实现资源的最大化利用,使现有的强迫冷却单元发挥最大散热潜能。
(3)本发明通过巧妙的结构设计实现了有源相控阵雷达天线阵面上阵列式分布的热源的单独控制,同时通过设计两个热源之间的温差阈值,保证了整个天线阵面上所有热源的温度范围,从而达到了良好的均温性效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置的结构图;
图2为本发明实施例的帕尔贴散热元件的外部结构示意图;
图3为本发明实施例的帕尔贴散热元件的内部原理示意图;
以上图中,1天线阵面;2热源;3帕尔贴散热元件;31支撑体;32P型半导体;33N型半导体;34温度传感器;4中央控制器;5导热膏;6散热涂层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域的技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。
参考图1和图2,本发明提供基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,有源相控阵雷达天线阵面1具有阵列式分布的多个热源2,所述散热装置包括多个散热单元和中央控制器4,每个散热单元对应贴设于一个所述热源2的上表面;所述散热单元的贴合面面积不小于对应热源2的上表面面积;
每个散热单元为帕尔贴散热元件3,所述帕尔贴散热元件3的贴合面为吸热面,与贴合面相对应的帕尔贴散热元件3的另一端面为散热面;所述帕尔贴散热元件3的贴合面上开设有凹槽,所述凹槽内嵌装有温度传感器34,所述温度传感器34的信号输出端与中央控制器4的温度信号输入端电连接;所述中央控制器4内具有供电单元,所述供电单元用于给有源相控阵雷达天线的强迫外冷单元和帕尔贴散热元件3供电。
以上实施例中,有源相控阵雷达天线阵面1具有阵列式分布的多个热源2,热源2为T/R组件或其他发热器件,是雷达天线阵面1上的小凸起;本实施例将散热单元的形状设计为与热源2相同,都为矩形小块;散热单元为基于帕尔贴效应设计的帕尔贴散热元件3,帕尔贴散热元件3具有吸热端和散热端;在本实施例中吸热端和散热端分别为矩形块的两个相对面,贴合安装在热源2表面的侧面为吸热端(吸热面),其相对面为散热端(散热面)。
本发明中,雷达天线阵面1上集成有非常多T/R组件,在雷达探测过程中,这些集成组件会产生大量热量,而由于集成度较高,热量无法及时被强迫冷却单元带走而迅速聚集,形成局部高温。本发明中热源2(T/R组件)产生的热量通过贴装的帕尔贴散热元件3及时将热量传递至其散热端,远离T/R组件,避免T/R组件短期的热量聚集、温度升高。本发明的帕尔贴散热元件可以极高的散热功率将天线阵面热源生热量由吸热面传递至散热面,再通过散热涂层以及雷达天线的强迫外冷单元将帕尔贴散热元件散热面热量挥散至外界热沉中,使雷达天线阵面获得极佳的散热性能。
此外,本发明通过中央控制器4根据帕尔贴散热元件3吸热端的温度传感器34测量的温度,确定帕尔贴散热元件3需要传递的热量及雷达的强迫冷却单元需要的冷却功率,进而控制供电单元为帕尔贴散热元件3提供相应大小的电流和控制强迫冷却单元的冷却强度。温度传感器34嵌装于吸热端的凹槽内,安装温度传感器34后吸热端仍然保持良好的平整度。
每个帕尔贴散热元件3所需的电流大小的计算公式为:
其中,P为帕尔贴散热元件3的散热功率,此处的散热功率可以通过将所要达到的温差转换成热量,通过能量守恒得到所需功率值。SE为塞贝克系数,R为系统固有电阻值,KA为帕尔贴元件的传热系数,I为帕尔贴散热元件3上的电流值;ΔT为帕尔贴散热元件3的吸热面与散热面之间的温差。散热面的温度是通过雷达固有的温度监测器实时探测得到的,并传输给中央控制器4。
雷达的强迫冷却单元需要的冷却功率是各个热源2所需冷却功率之和。由于本发明的中央控制器4控制每个帕尔贴散热元件3吸热端的温度,使两个热源2之间的温差处于预设阈值之内,即能够使两个热源2之间的温差控制在规定范围内,保证良好均温性能,使其输出信号的相位差满足天线的波束空间合成性能要求,有效提高雷达天线的探测距离与精度。同时改变了传统雷达的强迫冷却单元盲目的加大冷却功率的做法,有效的利用冷却资源,保证有限冷却资源的最大化利用。
参考图3,根据本发明的一个实施例,所述帕尔贴散热元件3由支撑体31和多对热电元件组成,两对热电元件之间具有间隙,且通过铜导片电连接;每对热电元件由P型半导体32和N型半导体33组成,所述P型半导体32和N型半导体33通过铜导片电连接。
以上实施例中,多对P型半导体32和N型半导体33电连接后设置于绝缘的支撑体31内形成帕尔贴散热元件3,最右侧的N型半导体33与供电单元的电源正极连接,位于最左侧靠近支撑体31的P型半导体32与供电单元的电源负极连接。
参考图2和图3,根据本发明的一个实施例,所述帕尔贴散热元件3的散热面上涂覆有散热涂层6,本实施例中的散热涂层6为高热辐射系数的石墨烯涂层材料。
参考图3,根据本发明的一个实施例,所述帕尔贴散热元件3与热源2之间涂覆有导热膏5,本实施例中的导热膏5为有机硅脂和金属氧化物的复合物,具有良好的热传导性与电绝缘性、减震、抗冲击性,加快热源2上热量的传导。
本发明的散热原理为:
有源相控阵雷达天线阵面1的热源2产生的热量通过导热膏5传递至帕尔贴散热元件3的吸热端,再传导至散热端,通过散热端的散热涂层6传递至强迫冷却单元后挥散至热沉中。同时,散热元件以阵列布局形式安装于雷达天线阵面1热源2上,通过温度传感器34实时监测每个热源2的温度,并将温度值传输至中央控制器4。中央控制器4根据温度监测值调控供电单元输送给各阵列帕尔贴散热元件3输入电流大小以调节各个帕尔贴散热元件3的散热功率,同时调控强迫冷却单元的工作状态即强冷、中冷、弱冷等级别(由冷却功率确定),以保证有源相控阵雷达天线各热源2的温度一直处于正常范围,且控制雷达天线阵面1各热源2的温差不高于设定阈值,实现雷达天线阵面1各热源2的良好均温效果。
本发明中的强迫冷却单元可选用水冷、风冷、相变(热管)冷却等形式。
本发明的散热装置能够实现天线阵面热源热量的及时、快速传递损耗,且具有极佳的均温性能,对于集成化程度越来越高的雷达天线来讲,具有重要的工程实际应用价值。
虽然,本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,有源相控阵雷达天线阵面具有阵列式分布的多个热源,其特征在于,所述散热装置包括多个散热单元和中央控制器,每个散热单元对应贴设于一个所述热源的上表面;所述散热单元的贴合面面积不小于对应热源的上表面面积;
每个散热单元为帕尔贴散热元件,所述帕尔贴散热元件的贴合面为吸热面,与贴合面相对应的帕尔贴散热元件的另一端面为散热面;所述帕尔贴散热元件的贴合面上开设有凹槽,所述凹槽内嵌装有温度传感器,所述凹槽与温度传感器的形状相匹配,使帕尔贴散热元件的贴合面保持理想平面的平面度,所述雷达具有多个温度感应器,每个温度感应器朝向对应的帕尔贴散热元件的散热面;所述温度传感器的信号输出端与中央控制器的第一信号输入端电连接,所述温度感应器的信号输出端与中央控制器的第二信号输入端电连接;
所述中央控制器内具有供电单元,所述供电单元用于给有源相控阵雷达天线的强迫外冷单元和帕尔贴散热元件供电。
2.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述帕尔贴散热元件由支撑体和多对热电元件组成,两对热电元件之间具有间隙,且通过铜导片电连接;每对热电元件由P型半导体和N型半导体组成,所述P型半导体和N型半导体通过铜导片电连接。
3.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述帕尔贴散热元件的散热面上涂覆有散热涂层。
4.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述帕尔贴散热元件与热源之间涂覆有导热膏。
5.根据权利要求2所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,位于最右侧靠近支撑体的N型半导体与供电单元的电源正极连接,位于最左侧靠近支撑体的P型半导体与供电单元的电源负极连接。
6.根据权利要求2所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述支撑体为绝缘导热陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述热源为T/R组件。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述中央控制器根据每个帕尔贴散热元件上的温度传感器探测的温度对应的电信号,获取该帕尔贴散热元件所需的散热功率,计算该帕尔贴散热元件所需的电流大小,从而控制供电单元的电源给该帕尔贴散热元件输送对应的电流。
9.根据权利要求8所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述计算该帕尔贴散热元件所需的电流大小的计算公式为:
其中,P为帕尔贴散热元件的散热功率,SE为塞贝克系数,R为电阻值,KA为帕尔贴元件的传热系数,I为帕尔贴散热元件上的电流值;ΔT为帕尔贴散热元件的吸热面与散热面之间的温差。
10.根据权利要求8所述的基于帕尔贴效应的有源相控阵雷达天线阵面自主散热装置,其特征在于,所述中央控制器控制每个帕尔贴散热元件散热功率,使两个热源之间的温差实时处于预设阈值之内,保证雷达天线阵面的均温性能。
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