CN114779172A - 一种集成浸没射流冷却的射频模块、雷达天线及雷达阵面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成浸没射流冷却的射频模块，外骨架的围框和侧冷板在射流底板上方形成容纳电路板的冷却空间，射流底板内设有射流流道，所述射流流道顶部设有用于对电路板射流冷却的射流口，侧冷板内具有与射流流道连通的进流腔，盖板位于所述冷却空间上方，盖板上设有出液口。通过上述优化设计的集成浸没射流冷却的射频模块，通过外骨架的射流底板和侧冷板设计，实现电路板的浸没冷却和射流冷却的结合，进而实现复杂热源分级冷却，局部重点冷却、全局均匀冷却，从而达到微系统模块内部高效散热，并且消除射流喷嘴占用空间，提高模块的集成性。本发明还提出一种雷达天线和雷达阵面。
Description
技术领域
本发明涉及雷达模块热控技术领域，尤其涉及一种集成浸没射流冷却的射频模块、雷达天线及雷达阵面。
背景技术
当前的复杂战场环境对雷达设备、对抗设备等装备的侦干探通多功能一体化、智能化需求越来越迫切，基于微组装技术的传统射频阵列的平面式砖块式架构由于集成度不高、通用性不强、智能化较低等原因，已经越来越无法满足军事装备的发展需求，而仅仅从结构优化、电路优化等方面设计优化无法解决功耗、体积、重量、性能之间的冲突和矛盾；基于先进封装技术的三维互联集成技术可显著降低整体功耗、提升功率密度、降低传输损耗、提升器件集成度，是实现射频模块集成化、小型化、多功能的关键技术。然而，高度集成、三维互联的射频模块的大带宽、高效率、高性能和高热流密度等特性对模块内部的散热设计提出了严峻挑战，在更紧凑、更集成的阵列模块内部实现更高热量的快速排出十分困难，因此，针对雷达设备、对抗设备前端的三维互联射频模块的高效散热的研究和创新亟待开展。
浸没冷却技术和射流冷却技术是两种新兴的高效冷却技术，浸没冷却通过发热器件的全浸没使液体与发热器件直接接触，消除多层传热界面和最大限度降低接触热阻，实现均匀、高效的冷却，对大量分布热源的全局的冷却十分有效；射流冷却通过收缩孔口等结构的喷嘴在压差作用下将液体射出并高速冲击发热器件表面，实现局部热源的快速冷却，对局部、高热流密度的热点的冷却十分有效。浸没射流冷却技术在三维互联射频模块等高度集成的设备中应用，还面临以下问题：射流冷却需要特定的喷嘴，在流场中需要特定的流向或流道，而浸没冷却针对全局冷却，难以控制局部流场，两者结合时对流场的设计至关重要；射流冷却需要足够的压差、较低的流量，浸没冷却压差较低、流量较高；此外，在极为紧凑的空间中布置流道、设计流场，同时确保散热结构与电子器件的集成也十分困难。针对高度集成、三维互联、紧凑小型的射频模块，如何有机结合浸没冷却和射流冷却的特点，优化浸没冷却和射流冷却的融合，发挥浸没射流的优势，提高浸没射流的适应性，满足当前及今后较长一段时间内雷达设备、对抗设备前端的射频模块等热流集中的设备热控的需求是当前面临的问题。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种集成浸没射流冷却的射频模块。
本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块，包括外骨架和电路板；
外骨架包括射流底板、侧冷板、围框和盖板；
射流底板内设有射流流道，所述射流流道顶部设有射流口，侧冷板位于射流底板上方，侧冷板内具有进流腔，所述进流腔侧壁设有进流口且下端设有与所述射流流道连通的出流口；
围框位于射流底板上方，围框两端分别与侧冷板两端连接且二者共同围成位于射流底板上方的冷却空间，盖板位于所述冷却空间上方，盖板上设有出液口，电路板位于所述冷却空间内。
优选地，包括射频层电路板、数字层电路板和互联组件，射频层电路板位于数字层电路板下方且二者通过互联组件连接，射频层电路板上设有射频组件，数字层电路板上设有数字组件；
优选地，还包括射频连接器，射流底板上设有安装通孔，射频连接器安装在所述安装通孔处且其一端与射频组件连接。
优选地，电路板上设有中心过液孔和边缘过液孔。
优选地，所述进流腔包括静压室和在静压室底部与其连通的纵向流道，所述进流口位于静压室顶部，所述出流口位于纵向流道的底部。
优选地，所述进流腔包括多个纵向流道，多个纵向流道沿侧冷板长度方向依次均匀布置。
优选地，所述纵向流道内壁设有纵向加强筋。
优选地，所述射流口采用具有预设倾斜角的扩口结构。
优选地，还包括外连接器，外连接器安装在盖板上。
本发明中，所提出的集成浸没射流冷却的射频模块，外骨架的围框和侧冷板在射流底板上方形成容纳电路板的冷却空间，射流底板内设有射流流道，所述射流流道顶部设有用于对电路板射流冷却的射流口，侧冷板内具有与射流流道连通的进流腔，盖板位于所述冷却空间上方，盖板上设有出液口。通过上述优化设计的集成浸没射流冷却的射频模块，通过外骨架的射流底板和侧冷板设计，实现电路板的浸没冷却和射流冷却的结合，进而实现复杂热源分级冷却，局部重点冷却、全局均匀冷却，从而达到微系统模块内部高效散热，并且消除射流喷嘴占用空间，提高模块的集成性。
本发明还提出一种雷达天线，包括天线振子和上述的集成浸没射流冷却的射频模块，天线振子通过射频连接器与射频组件连接。
本发明中，所提出的雷达天线，其技术效果与上述集成浸没射流冷却的射频模块类似，因此不再赘述。
本发明还提出一种雷达阵面，包括由多个上述的雷达天线形成的阵列。
本发明中，所提出的雷达阵面，利用上述射频模块集合浸没冷却和射流冷却的优势，通过与三维互联的高度集成架构下射频模块的有机结合，在可扩展、高集成的射频模块内部实现高效、稳定的热控设计，解决雷达等设备的大阵列、微系统发展下的散热难题。
附图说明
图1为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式的外部结构示意图。
图2为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式的外骨架的爆炸结构示意图。
图3为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式去除围框的结构示意图。
图4为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的侧冷板和射流底板的一种实施方式的侧视剖视结构示意图。
图5为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的侧冷板的一种实施方式的主视剖视结构示意图。
图6为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式中电路板设置在射流底板上的结构示意图。
具体实施方式
如图1至6所示，图1为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式的外部结构示意图，图2为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式的外骨架的爆炸结构示意图，图3为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式去除围框的结构示意图，图4为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的侧冷板和射流底板的一种实施方式的侧视剖视结构示意图，图5为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的侧冷板的一种实施方式的主视剖视结构示意图，图6为本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块的一种实施方式中电路板设置在射流底板上的结构示意图。
参照图1和2，本发明提出的一种集成浸没射流冷却的射频模块，包括外骨架和电路板；
外骨架包括射流底板1、侧冷板2、围框3和盖板4；
射流底板1内设有射流流道14，所述射流流道14顶部设有射流口，侧冷板2位于射流底板1上方，侧冷板2内具有进流腔，所述进流腔侧壁设有进流口且下端设有与所述射流流道14连通的出流口；
围框3位于射流底板1上方，围框3两端分别与侧冷板2两端连接且二者共同围成位于射流底板1上方的冷却空间，盖板4位于所述冷却空间上方，盖板4上设有出液口，电路板位于所述冷却空间内。
本实施例的集成浸没射流冷却的射频模块的具体工作过程中，冷却液通过进流口进入侧冷板的进流腔内，然后流入射流底板的射流流道，从射流口流出，然后冷却液进入冷却空间内，朝向冷却空间内的电路板进行射流冷却。同时冷却液持续上升浸没电路板上的器件，保证器件环境冷却，最后冷却液从盖板的出液口流出，完成系统冷却。在具体冷却过程中，冷却液与发热器件直接接触，降低散热热阻，减少传热界面，提高散热效率。同时，射流的冷却液直接对器件进行射流冷却，并且带动冷却空间内的冷却液循环流动，增大冷却效果的同时，始终保持冷却空间内的冷却液温度。
在本实施例中，所提出的集成浸没射流冷却的射频模块，外骨架的围框和侧冷板在射流底板上方形成容纳电路板的冷却空间，射流底板内设有射流流道，所述射流流道顶部设有用于对电路板射流冷却的射流口，侧冷板内具有与射流流道连通的进流腔，盖板位于所述冷却空间上方，盖板上设有出液口。通过上述优化设计的集成浸没射流冷却的射频模块，通过外骨架的射流底板和侧冷板设计，实现电路板的浸没冷却和射流冷却的结合，进而实现复杂热源分级冷却，局部重点冷却、全局均匀冷却，从而达到微系统模块内部高效散热，并且消除射流喷嘴占用空间，提高模块的集成性。
参照图3，在具体实施方式中，在本实施例的集成浸没射流冷却的射频模块的冷却空间中具体包括射频层电路板7、数字层电路板8和互联组件10，射频层电路板7位于数字层电路板8下方且二者通过互联组件10连接，射频层电路板7上设有射频组件6，数字层电路板8上设有数字组件9。通过将发热量较高的器件放置在下层且将发热量较低的器件放置在上层，对下层进行针对性地射流和浸没结合的冷却方式，并对上层低发热量器件进行浸没冷却，实现复杂热源分级冷却。
其中，互联模块可包括垂直连接器、变频模块等器件。
进一步地，为了便于射频层电路板上的射频组件与外部连接，本实施例还包括射频连接器5，射流底板1上设有安装通孔13，射频连接器5安装在所述安装通孔13处且其一端与射频组件6连接。
为了便于电路板上的器件与外部的电连接，本实施例的集成浸没射流冷却的射频模块还包括外连接器42，外连接器42安装在盖板4上。
为了进一步提高冷却效果，参照图6，电路板上设有中心过液孔72和边缘过液孔71。在压差推动下，冷却液通过下层电路板的过液孔，进入器件中间，浸没冷却中部及上方器件，然后冷却液继续通过上方电路板的过液孔，浸没冷却上方有功率器件，在冷却空间内形成多路连通流道，提高冷却效果。
在侧冷板的进流腔的具体设计方式中，参照图4和5，所述进流腔包括静压室24和在静压室24底部与其连通的纵向流道26，所述进流口位于静压室24顶部，所述出流口位于纵向流道26的底部。通过静压室的设计，使得冷却液进入进流腔后经过静压，从而经由纵向流道稳流进入射流通道。
进一步地，所述进流腔包括多个纵向流道26，多个纵向流道26沿侧冷板2长度方向依次均匀布置。为了提高稳流效果，在进一步具体设计方式中，所述纵向流道26的内径从上向下逐渐减小。
此外，由于侧冷板与围板共同承载冷却空间内的冷却液，为了避免进流腔的设置对侧冷板的承载强度的影响，所述纵向流道26内壁设有纵向加强筋25。
为了保证从射流口喷射出的冷却液精准至热源表面，在其他具体实施方式中，所述射流口15采用具有预设倾斜角的扩口结构。实际设计时，可根据热源位置设计倾斜角度，以保证射流效果。
本实施例的集成浸没射流冷却的射频模块选择冷却介质时，可采用单相散热，也可采用两相散热，两相散热时，相变在模块腔体中进行，通过简单更换冷却液、控制压力即可，系统兼容性高。
本实施例还提出一种雷达天线，包括天线振子和上述的集成浸没射流冷却的射频模块，天线振子通过射频连接器5与射频组件6连接。本实施例的雷达天线采用射流底板作为天线反射板，通过二者一体化设计，消除射流喷嘴占用空间，提高模块的集成性。
在雷达天线的实际设计中，射流底板和侧冷板均可设计为薄壳体结构设计，射流底板可采用铝合金或其他结构材料制成。为方便射频模块的扩展，侧边骨架机构尺寸不得超过天线振子间距，因此其主体结构采用3mm厚度的薄板，流道在薄板内部加工。纵向流道为1mm厚度流道，在流道中间增加加强筋2)焊接以提高结构强度。
本实施例还提出一种雷达阵面，其特征在于，包括由多个根据权利要求9所述的雷达天线形成的阵列。通过外框架的一体化设计，确保天线振子间距一致，利于射频模块面向扩展。
本实施例的射频模块具有下列优点：
首先，结合浸没冷却和射流冷却的各自特点，可实现微系统架构的模块内部高功率器件和低功率旗器件的分级冷却、整体散热的高效冷却、大量分散器件的均匀冷却：浸没冷却是可覆盖大量发热器件的全局式冷却方式，流阻较低、能耗较小、专有机构较少，在复杂系统中可简化冷却设备、提高系统集成，而射流冷却是针对局部高热流密度点热源高效散热的冷却方式，散热性能强，但是流阻较大、能耗较大、有专有的喷射结构，通过两者结合并与系统匹配设计，采用浸没冷却针对大量分布的低功率器件进行全局冷却，覆盖广、散热均匀、流阻小、能耗低，采用射流冷却针对局部的高功率器件重点冷却，重点突出、平衡能耗、适应性强。
其次，采用高度集成的一体化设计，可实现占用空间小、热控结构简化：采用射频模块的围框构成密闭腔体，结合密封型连接器，无多余附属结构；采用射频模块的天线反射面内部集成射流流道和射流口，实现天线反射面和射流冷板的一体化设计；在超薄的一侧围框中集成超薄冷板形成入口流道，控制射频模块的外结构尺寸，确保外部天线振子间距一致，利于射频模块的面向扩展。
再次，模块内部冷却介质为电介质冷却液，冷却液与发热器件直接接触，降低散热热阻，减少传热界面，提高散热效率；系统流场简化，高压部分在超薄冷板和射流冷板中，低压部分在模块腔体内，压差作用下流场全局方向可控；系统可采用单相散热，也可采用两相散热，两相散热时，相变在模块腔体中进行，通过简单更换冷却液、控制压力即可，系统兼容性高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，包括外骨架和电路板；
外骨架包括射流底板(1)、侧冷板(2)、围框(3)和盖板(4)；
射流底板(1)内设有射流流道(14)，所述射流流道(14)顶部设有射流口，侧冷板(2)位于射流底板(1)上方，侧冷板(2)内具有进流腔，所述进流腔侧壁设有进流口且下端设有与所述射流流道(14)连通的出流口；
围框(3)位于射流底板(1)上方，围框(3)两端分别与侧冷板(2)两端连接且二者共同围成位于射流底板(1)上方的冷却空间，盖板(4)位于所述冷却空间上方，盖板(4)上设有出液口，电路板位于所述冷却空间内。
2.根据权利要求1所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，包括射频层电路板(7)、数字层电路板(8)和互联组件(10)，射频层电路板(7)位于数字层电路板(8)下方且二者通过互联组件(10)连接，射频层电路板(7)上设有射频组件(6)，数字层电路板(8)上设有数字组件(9)；
优选地，还包括射频连接器(5)，射流底板(1)上设有安装通孔(13)，射频连接器(5)安装在所述安装通孔(13)处且其一端与射频组件(6)连接。
3.根据权利要求1所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，电路板上设有中心过液孔(72)和边缘过液孔(71)。
4.根据权利要求1所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，所述进流腔包括静压室(24)和在静压室(24)底部与其连通的纵向流道(26)，所述进流口位于静压室(24)顶部，所述出流口位于纵向流道(26)的底部。
5.根据权利要求4所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，所述进流腔包括多个纵向流道(26)，多个纵向流道(26)沿侧冷板(2)长度方向依次均匀布置。
6.根据权利要求4所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，所述纵向流道(26)内壁设有纵向加强筋(25)。
7.根据权利要求1所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，所述射流口采用具有预设倾斜角的扩口结构。
8.根据权利要求1所述的集成浸没射流冷却的射频模块，其特征在于，还包括外连接器(42)，外连接器(42)安装在盖板(4)上。
9.一种雷达天线，其特征在于，包括天线振子和根据权利要求1-9任一项所述的集成浸没射流冷却的射频模块，天线振子通过射频连接器(5)与射频组件(6)连接。
10.一种雷达阵面，其特征在于，包括由多个根据权利要求9所述的雷达天线形成的阵列。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 邢改兰: "浸没水射流冷却过程热流密度的导热反问题计算方法", 华东理工大学学报(自然科学版), 15 April 2007 (2007-04-15) * |
Also Published As
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