CN112216944B - 一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构及阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构及阵列结构，包括天线板、模块腔体和腔体盖板，腔体盖板密封模块腔体的敞口，天线板设置于模块腔体上与腔体盖板相对的一侧；模块腔体内，由腔体盖板向天线板方向，依次设置有低频供电转接板和至少两层射频层板，腔体盖板上设置有低频供电转接口，以及对应于各层射频层板的射频输入口；腔体盖板上开设有冷液进液口和冷液出液口，模块腔体内设计有冷液流道，冷液流道分别与冷液进液口和冷液出液口连通；冷液流道流经各层射频层板表面。本发明使大功率，甚至多频复合大功率均能在瓦式相控阵天线架构上得以实现，在单位热密度不变的情况下，还可层叠增加1~2层射频层来实现更多频及极化的功能。

Description

一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构及阵列结构

技术领域

本发明涉及微波毫米波无线通信领域，尤其是一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构及阵列结构。

背景技术

随着相控阵天线通信场景复杂度及探测威力要求的不断提高，有源相控阵天线的工作模式由单频率工作向多频率复合工作模式转变，供电由小功率向大功率转变，造成天线在原有空间下结构越来越紧凑，热流密度越发升高，对结构布局及散热设计带来了前所未有的挑战。特别对于满足轻量小型化要求的瓦片式有源相控阵来说，由于散热问题，难以做到大功率形式的集成，特别对于大功率情况下的多频复合阵，散热设计尤其困难，也由于散热的问题，造成瓦片式有源相控阵的应用范围严重受限。

目前在大功率瓦片式有源相控阵的散热设计上，已经出现了一些解决方案，使瓦片式有源相控阵的射频功耗得到一定提升。由于这些散热方案均运用了传统的散热思路，比如说液冷就必须单独做冷板并内部开流道，故其散热效能及空间利用率上均不理想，难以做到对大功率瓦式有源相控阵散热能力的大幅提升。

比如西安电子工程研究所2018年的发明申请CN 108931765 A《大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法》，提出了一种大功率瓦片式的散热结构。此方案实现了大功率相控阵天线在结构上由砖块式转变成瓦片式，节省了空间和重量，但此方案由于采用了传统的发热芯片紧贴翅片散热器件的风冷方案，故其散热效率较低，散热部件占用空间很大，只能用于低频段大尺寸的相控阵天线散热，不能解决对空间及重量要求苛刻的高频段大功率瓦片相控阵天线的散热问题。

比如成都华芯天微科技有限公司2019年的发明申请CN 110797624 A《一种大功率瓦片式相控阵天线》也提出了一种大功率瓦片式的散热结构。此方案实现了高频段大功率相控阵天线的有效散热，使瓦片式相控阵天线的射频功耗得到一定提升并扩展了其应用范围。但此方案由于采用了传统的发热芯片紧贴内部做了流道的液冷板的液冷方案，故其空间利用率不高，由于密封要求，其内部散热结构较为复杂。而且此种采用液冷板的散热架构，只能解决单层的大功率射频芯片散热问题，难以实现多频端多层叠装大功率射频结构。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，以解决大功率瓦式有源相控阵天线因高集成化、小型化、垂直过渡要求而难以进行液冷散热的难题。

本发明采用的技术方案如下：

一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，包括天线板、模块腔体和腔体盖板，腔体盖板密封所述模块腔体的敞口，所述天线板设置于所述模块腔体上与所述腔体盖板相对的一侧；所述模块腔体内，由所述腔体盖板向所述天线板方向，依次设置有低频供电转接板和至少两层射频层板，所述腔体盖板上设置有低频供电转接口，以及对应于各层射频层板的射频输入口；

所述腔体盖板上开设有冷液进液口和冷液出液口，所述模块腔体内设计有冷液流道，所述冷液流道分别与所述冷液进液口和冷液出液口连通；所述冷液流道流经各层射频层板表面。

进一步的，所述模块腔体的底面设置有第一开放流道槽；所述腔体盖板底部对应于冷液进液口和冷液出液口的位置，分别设置有对应的挡水板；所述低频供电转接板抵靠于所述挡水板，所述低频供电转接板底面设置有第二开放流道槽；当射频层板超过两层时，处于非边缘的各层射频层板上分别设置有第三开放流道槽；所谓的非边缘的射频层板，即处于最上层射频层板和最下层射频层板之间的射频层板；

所述模块腔体相对的两侧壁设置有分别与冷液进液口和冷液出液口连通的流道，所述第一开放流道槽、第二开放流道槽和第三开放流道槽均与所述模块腔体两侧的流道连通。

进一步的，所述模块腔体设置流道的两侧壁的方向，与所述冷液进液口和冷液出液口所处方向相同。

进一步的，所述第一开放流道槽、第二开放流道槽和第三开放流道槽的方向相同。

进一步的，所述第一开放流道槽、第二开放流道槽和第三开放流道槽的方向，均与所述冷液进液口和冷液出液口所处方向相同。

进一步的，所述模块腔体内的射频层板为两层，分别为第一频段射频层板和第二频段射频层板，所述第一频段射频层板和第二频段射频层板相互抵靠；所述第一频段射频层板上设置有第一频段热源芯片，所述第二频段射频层板上设置有第二频段热源芯片。

进一步的，结构还包括固定安装板，所述模块腔体靠所述腔体盖板一侧安装于所述固定安装板上，所述固定安装板上分别设置有进液通道和出液通道，所述进液通道与所述冷液进液口连通，所述出液通道与所述冷液出液口连通。

为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热阵列结构，包括固定安装板，以及若干上述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构组成的阵列，各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的模块腔体靠所述腔体盖板一侧安装于所述固定安装板上，所述固定安装板上分别设置有进液通道和出液通道，所述进液通道进分流后分别与各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的冷液进液口连通，所述出液通道分流后分别与各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的冷液出液口连通。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的液冷散热结构克服了瓦式相控阵天线因体积问题而无法使用液冷技术的偏见，使得大功率，甚至多频复合大功率均能够在瓦式相控阵天线架构上实现。

2、本发明的液冷散热结构散热均匀，使得天线输出稳定。

3、本发明的液冷散热结构设计了开放流道槽，在引导冷液方向的同时，加强了紊流强度，使得散热性能佳。

4、本发明的液冷散热结构在单位热密度不变的情况下，还可以层叠结构增加1~2层射频层来实现更多频及极化的功能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是多频复合情况下大功率瓦片有源相控阵天线外形示意图。

图2是多频复合情况下大功率瓦片有源相控阵天线层叠示意图。

图3液冷散热结构剖面示意图。

图中：1固定安装板、2腔体盖板、3低频供电转接板、4第一频段热源芯片、5第一频段射频层板、6第二频段热源芯片、7第二频段射频层板、8模块腔体、9天线板、10冷液进液口、11冷液出液口、12第一频段射频输入口、13低频供电转接口、14第二频段射频输入口、15第二开放流道槽、16第一开放流道槽、17挡水板、18进液流道、19出液流道。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

为解决大功率瓦式有源相控阵的散热问题，本发明的液冷散热结构采用腔体盖板密封模块腔体，在模块腔体内设置低频供电转接板和射频层板，本发明的液冷散热结构的核心发明要素包括以下三点：

1)冷却液采用氟化液，此种液体导电性能极差，是已经成功商用的一种高效散热惰性液体（目前主要用于大型服务器的浸没冷却）；

2)将模块腔体整体密封，将内部空洞空间利用为液冷流道来进行通液液冷，在内部电路板或腔体上加工开放性液冷流道，氟化液直接和热源芯片接触换热；

3)为保证射频电路及器件的性能，尽量不在射频层板上开流道槽，当射频层板为两层时，在低频供电转接板和模块腔体底面上加工开放的流道，当射频层板为三层以上时，除上述两层流道外还需在射频层制作流道。

通过腔体盖板和模块腔体之间的激光封焊，使模块腔体整体密封，然后在腔体盖板上开进出液孔，模块腔体锁紧安装到固定安装板，通过此固定安装板集成分流流道和液冷连接器，实现单模块或多模块组阵时的散热供液。

热源芯片可以做成封装器件也可是裸芯片，低频供电转接板、射频层板或模块腔体上设计制作开放式的微槽道，用以引导冷却液方向和加强紊流强度来增强散热性能。

实施例一

参见附图1、2，本实施例公开了一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，包括天线板9、模块腔体8和腔体盖板2，腔体盖板2密封模块腔体8的敞口，天线板9设置于模块腔体8上与腔体盖板2相对的一侧；模块腔体8内，由腔体盖板2向天线板9方向，依次设置有低频供电转接板3和至少两层射频层板，腔体盖板2上设置有低频供电转接口13，以及对应于各层射频层板的射频输入口。需要说明的是，各层射频层板的频率可相同也可不同，不同频率的射频层板即实现了多频复合。

腔体盖板2上开设有冷液进液口10和冷液出液口11，模块腔体8内设计有冷液流道，冷液流道分别与冷液进液口10和冷液出液口11连通；冷液流道流经各层射频层板表面，带走热量，实现对相控阵天线单元的液冷散热。为保证射频电路及器件的性能，尽量不在射频层板上开流道槽，在与之相邻的其他层板或模块腔体上开流道槽。当射频层板为两层时，在低频供电转接板3和模块腔体底面上加工开放流道槽，当射频层板为三层（含）以上时，除上述两层流道槽外还需在中间的各层射频层板制作流道槽。

在一些实施例中，模块腔体8的底面设置有第一开放流道槽16；所述腔体盖板2底部对应于冷液进液口10和冷液出液口11的位置，分别设置有对应的挡水板17，挡水板17引导从冷液进液口10流入的冷液的流动方向，或者引导模块腔体8内的冷液从冷液出液口11流出。所述低频供电转接板3抵靠于所述挡水板17，则冷液不会留经挡水板17之间的区域。所述低频供电转接板3底面设置有第二开放流道槽15；当射频层板超过两层时，处于非边缘的各层射频层板（即除去最上层和最下层的其他射频层板）上分别设置有第三开放流道槽。所述模块腔体8相对的两侧壁设置有分别与冷液进液口10和冷液出液口11连通的流道，所述第一开放流道槽16、第二开放流道槽15和第三开放流道槽均与所述模块腔体8两侧的流道连通。

优选的，模块腔体8设置流道的两侧壁的方向，与所述冷液进液口10和冷液出液口11所处方向相同，即上述相对的两侧壁的方向，顺着冷液进液口10和冷液出液口11距离的方向。第一开放流道槽16、第二开放流道槽15和第三开放流道槽的方向相同，优选均与冷进液口10和冷液出液口11所处方向相同。

如图2所示，模块腔体8内的射频层板为两层，分别为第一频段射频层板5和第二频段射频层板7，所述第一频段射频层板5和第二频段射频层板7相互抵靠；所述第一频段射频层板5上设置有第一频段热源芯片4，所述第二频段射频层板7上设置有第二频段热源芯片6。射频层板可以继续层叠，每层射频层板均设置有对应频段的热源芯片，以实现多频复合。对应于层叠更多（超过两层）射频层板的情况，位于中间的射频层板（即除去最上、最下层）的各层均开设有第三开放流道槽。

实施例二

如图1、2、3所示，本实施例公开了一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，所使用的冷液为氟化液，液冷散热结构包括模块腔体8、腔体盖板2和天线板9，腔体盖板2密封所述模块腔体8的敞口，所述天线板9设置于所述模块腔体8上与所述腔体盖板2相对的一侧。模块腔体8中，由所述腔体盖板2向所述天线板9方向，顺序安装有低频供电转接板3和两层射频层板，两层射频层板分别为第一频段射频层板5和第二频段射频层板7，所述第一频段射频层板5和第二频段射频层板7相互抵靠；所述第一频段射频层板5上设置有第一频段热源芯片4，所述第二频段射频层板7上设置有第二频段热源芯片6。腔体盖板2上设置有低频供电转接口13，以及对应于第一频段射频层板5的第一射频输入口12和对应于第二频段射频层板7的第二射频输入口14。

腔体盖板2上开设有冷液进液口10和冷液出液口11，所述腔体盖板2底部对应于冷液进液口10和冷液出液口11的位置，分别设置有对应的挡水板17，所述低频供电转接板3抵靠于所述挡水板17；模块腔体8相对的两侧壁设置有分别与冷液进液口10和冷液出液口11连通的流道，模块腔体8的底面设置有第一开放流道槽16，低频供电转接板3底面设置有第二开放流道槽15，所述第一开放流道槽16和第二开放流道槽15两端分别顺着模块腔体两侧流道的方向，与模块腔体8两侧的流道连通。

液冷散热结构包括固定安装板1，模块腔体8沿敞口方向连接于固定安装板1上，固定安装板1上分别设置有进液通道18和出液通道19，所述进液通道18与所述冷液进液口10连通，所述出液通道19与所述冷液出液口11连通。

对于相控阵仅含单个模块腔体8的情况，氟化液直接由固定安装板1的进液通道18流入冷液进液口10，冷液出液口11直接由固定安装板1的出液流道19流回外部供液装置。当液冷散热结构成阵列排布，形成一种液冷散热阵列结构时，氟化液先在固定安装板1的进液流道18中进行流量分配，平均分流之后再分别流入各个模块（对应一个液冷散热结构单元）的冷液进液口10；各模块的冷液出液口11流出的氟化液先在固定安装板1的出液通道19中进行流量汇总，汇流之后再流回外部供液装置。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，包括天线板（9）、模块腔体（8）和腔体盖板（2），腔体盖板（2）密封所述模块腔体（8）的敞口，所述天线板（9）设置于所述模块腔体（8）上与所述腔体盖板（2）相对的一侧；所述模块腔体（8）内，由所述腔体盖板（2）向所述天线板（9）方向，依次设置有低频供电转接板（3）和至少两层射频层板，所述腔体盖板（2）上设置有低频供电转接口（13），以及对应于各层射频层板的射频输入口；

所述腔体盖板（2）上开设有冷液进液口（10）和冷液出液口（11），所述模块腔体（8）内设计有冷液流道，所述冷液流道分别与所述冷液进液口（10）和冷液出液口（11）连通；所述冷液流道流经各层射频层板表面；

所述模块腔体（8）的底面设置有第一开放流道槽（16）；所述腔体盖板（2）底部对应于冷液进液口（10）和冷液出液口（11）的位置，分别设置有对应的挡水板（17）；所述低频供电转接板（3）抵靠于所述挡水板（17），所述低频供电转接板（3）底面设置有第二开放流道槽（15）；当射频层板超过两层时，处于非边缘的各层射频层板上分别设置有第三开放流道槽；

所述模块腔体（8）相对的两侧壁设置有分别与冷液进液口（10）和冷液出液口（11）连通的流道，所述第一开放流道槽（16）、第二开放流道槽（15）和第三开放流道槽均与所述模块腔体（8）两侧的流道连通。

2.如权利要求1所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，所述模块腔体（8）设置流道的两侧壁的方向，与所述冷液进液口（10）和冷液出液口（11）所处方向相同。

3.如权利要求2所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，所述第一开放流道槽（16）、第二开放流道槽（15）和第三开放流道槽的方向相同。

4.如权利要求3所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，所述第一开放流道槽（16）、第二开放流道槽（15）和第三开放流道槽的方向，均与所述冷液进液口（10）和冷液出液口（11）所处方向相同。

5.如权利要求1所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，所述模块腔体（8）内的射频层板为两层，分别为第一频段射频层板（5）和第二频段射频层板（7），所述第一频段射频层板（5）和第二频段射频层板（7）相互抵靠；所述第一频段射频层板（5）上设置有第一频段热源芯片（4），所述第二频段射频层板（7）上设置有第二频段热源芯片（6）。

6.如权利要求1~5任一所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构，其特征在于，还包括固定安装板（1），所述模块腔体（8）靠所述腔体盖板（2）一侧安装于所述固定安装板（1）上，所述固定安装板（1）上分别设置有进液通道（18）和出液通道（19），所述进液通道（18）与所述冷液进液口（10）连通，所述出液通道（19）与所述冷液出液口（11）连通。

7.一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热阵列结构，其特征在于，包括固定安装板（1），以及若干如权利要求1~5任一所述的大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构组成的阵列，各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的模块腔体（8）靠所述腔体盖板（2）一侧安装于所述固定安装板（1）上，所述固定安装板（1）上分别设置有进液通道（18）和出液通道（19），所述进液通道（18）进分流后分别与各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的冷液进液口（10）连通，所述出液通道（19）分流后分别与各所述大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构的冷液出液口（11）连通。

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