專利名稱：一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法
技術領域：
本發明涉及天線技術領域，特別是一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法。
背景技術：
隨著電子技術的飛速發展，微型化、高集成度、大功率電子器件得到廣泛應用，雷達系統的組裝密度越來越高，導致電子元器件熱流密度急劇上升，高散熱問題日益突出。隨著微電子技術的不斷向前發展，高組裝密度的大功率芯片必將在有源相控陣雷達T/R組件中大量應用，而這些高集成化高性能器件隨著工作頻率的迅速提高也使其功率密度急劇上升，部分芯片的發熱量已超過lOOW/cm2，這些器件在工作時所產生的熱量若不能及時帶走，將會造成器件內部芯片有源區溫度上升即結溫升高，進而導致器件性能發生漂移，嚴重威脅設備工作的可靠性，因此隨之而來的冷卻散熱問題成為天線領域的熱點問題。傳統的冷卻方法一般采用強迫風冷的方法。在一些熱流密度比較大，溫升要求比較高的設備中，多數采用強迫空氣冷卻。但是風冷的方法有兩個缺點:一是風量過大帶來總體和分系統之間的接口設計較為困難；二是管道的選材、加工以及在陣面內的占有空間過大等問題難以解決。微通道冷板(MicroChannel Coldplate)因具有結構緊湊、換熱效率高、質量輕、運行安全可靠等突出特點，在微電子、航空航天設備、高溫超導體以及其它一些對換熱設備的尺寸和重量有特殊要求的設備中廣泛使用。正是由于微通道冷板具有許多常規尺寸設備所無可比擬的優越性，近幾年微通道冷板的研究和應用發展得非常迅速。由于微通道冷板的微通道截面形狀與微通道冷板整體的換熱性能密切相關，在微通道冷板的設計中，需要著重進行考慮。傳統的設計方法對于不同截面形狀的微通道冷板的散熱性能規律進行總結，需要進行多次試驗以及大量數據。如果完全依靠經驗來積累數據成本過高，也很不實際。因此，通過有限元建模并利用熱分析軟件來進行熱分析計算以及人工數值優化最終確定最佳的結構參數的方法，對該領域微通道冷板的設計是一種有效的技術手段，也是本領域目前亟待解決的技術問題。
發明內容
針對現有的有源相控陣天線的微通道冷板設計方法存在的不足，本發明的目的在于提供一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，該方法利用熱分析軟件來進行熱分析計算以及人工數值優化確定微通道冷板的最佳結構參數，與傳統的憑借經驗設計的方法相比，本發明不僅提高了有源相控陣天線的微通道冷板設計效率，還縮短了有源相控陣天線的微通道冷板設計的時間。本發明是通過以下述技術方案來實現的:一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，該方法包括下述步驟:(I)根據有源相控陣天線的結構參數和材料屬性，確定有源相控陣天線的幾何模型；(2)根據有源相控陣天線的幾何模型，確定有源相控陣天線微通道冷板的外形尺寸；(3)確定有源相控陣天線微通道冷板的微通道截面幾何形狀以及有源相控陣天線微通道冷板的微通道截面幾何尺寸，建立有源相控陣天線的有限元模型，并計算有源相控陣天線陣面的溫度分布；(4)根據有源相控陣天線的工作溫度指標要求，判斷有源相控陣天線陣面的溫度分布是否滿足要求，如果滿足要求，則有源相控陣天線微通道冷板結構設計合格；否則，修改有源相控陣天線微通道冷板的幾何尺寸以及流道布局，重復步驟(I)到步驟(3)，直至滿足要求。所述步驟(1)中有源相控陣天線的結構參數和材料屬性包括微通道冷板、T/R組件、輻射單元以及陣面框架的結構參數和材料屬性。所述步驟(2)中有源相控陣天線微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的長度、 寬度以及厚度。所述步 驟(3)中確定有源相控陣天線微通道冷板的微通道幾何截面尺寸，按照以下步驟進行:(3a)建立不同截面幾何參數的微通道冷板的有限元模型，并確定矩形微通道冷板的有限元模型的材料屬性的和邊界條件；(3b)計算不同截面幾何參數下微通道冷板有限元模型的溫度分布，確定微通道冷板平均溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差AT，進而通過微通道冷板有限元模型平均
溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差AT，計算出發熱面積換熱系數
權利要求
1.一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: (1)根據有源相控陣天線的結構參數和材料屬性，確定有源相控陣天線的幾何模型； (2)根據有源相控陣天線的幾何模型，確定有源相控陣天線微通道冷板的外形尺寸； (3)確定有源相控陣天線微通道冷板的微通道截面幾何形狀以及有源相控陣天線微通道冷板的微通道截面幾何尺寸，建立有源相控陣天線的有限元模型，并計算有源相控陣天線陣面的溫度分布； (4)根據有源相控陣天線的工作溫度指標要求，判斷有源相控陣天線陣面的溫度分布是否滿足要求，如果滿足要求，則有源相控陣天線微通道冷板結構設計合格；否則，修改有源相控陣天線微通道冷板的幾何尺寸以及流道布局，重復步驟(I)到步驟(3)，直至滿足要求。
2.根據權利要求1所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于:所述步驟(I)中有源相控陣天線的結構參數和材料屬性包括微通道冷板、T/R組件、輻射單元以及陣面框架的結構參數和材料屬性。
3.根據權利要求1所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于:所述步驟(2)中有源相控陣天線微通道冷板的外形尺寸包括微通道冷板的長度、寬度以及厚度。
4.根據權利要求1所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于，所述步驟(3)中確定有源相控陣天線微通道冷板的微通道幾何截面尺寸，按照以下步驟進行: (3a)建立不同截面幾何參數的微通道冷板的有限元模型，并確定矩形微通道冷板的有限元模型的材料屬性的和邊界條件； (3b )計算不同截面幾何參數下微通道冷板有限元模型的溫度分布，確定微通道冷板平均溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差ΛΤ，進而通過微通道冷板有限元模型平均溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差AT，計算出發熱面積換熱系數，流固接觸面積換熱系數; 其中，Q為微通道冷板熱交換量，A1為微通道冷板發熱面積，A2為流固接觸面積； (3c)根據不同截面幾何參數的微通道冷板有限元模型計算出的發熱面積換熱系數Ill和流固接觸面積換熱系數h2，確定其中散熱性能最優的微通道冷板的截面幾何參數； (3d)計算不同的流體入口速度V與流體入口溫度T下，微通道冷板有限元模型的溫度分布，確定微通道冷板平均溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差△ T，進而通過微通道冷板有限元模型平均溫度與微通道內冷卻液平均溫度的溫差ΛΤ，計算出發熱面積換熱系數hi和流固接觸面積換熱系數h2 ； (3e )根據不同的流體入口速度V與流體入口溫度T下微通道冷板有限元模型計算出的發熱面積換熱系數h和流固接觸面積換熱系數h2，確定其中散熱性能最優的微通道冷板的流體入口速度V與流體入口溫度T ； (3f)根據步驟(3c)與步驟(3e)得到的微通道冷板的截面幾何參數、流體入口速度V與流體入口溫度T確定微通道冷板的微通道尺寸。
5.根據權利要求4所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于，所述步驟(3a)中建立不同截面幾何參數，截面幾何參數為矩形、圓形、三角形或橢圓形截面幾何參數。
6.根據權利要求4所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于，所述步驟(3a)中微通道冷板的有限元模型包括冷板有限元模型以及冷卻液有限元模型。
7.根據權利要求1所述的一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，其特征在于，所述步驟(3)中有源相控陣天線的有限元模型包括微通道冷板的有限元模型、T/R組件的有限元模型、輻射單元的有限 元模型以及陣面框架有限元模型。
全文摘要
本發明公開了一種面向有源相控陣天線的微通道冷板設計方法，該方法包括1)確定有源相控陣天線的幾何模型；2)確定有源相控陣天線微通道冷板的外形尺寸；3)計算有源相控陣天線陣面的溫度分布；4)判斷是否滿足設計要求。本方法提供了一種利用微通道冷板對天線散熱方案，以保證天線能夠有效工作并保持高性能。通過考慮高寬比α、寬度W、流體入口速度v和流體入口溫度T，利用建模得到不同參數下的溫度分布，最終確定參數，與只能憑借經驗設計的傳統方法相比，本發明可給出最佳設計方案，保證一次滿足要求，縮短了設計周期。通過計算陣面溫度分布，可判斷設計是否滿足溫度要求，根據溫度分布修改參數和流道布局以達到要求，具有工程意義。
文檔編號G06F17/50GK103116677SQ20131005704
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者王從思, 王偉, 李兆, 宋正梅, 康明魁, 王猛, 段寶巖, 黃進, 保宏, 宋立偉, 李娜, 李鵬 申請人:西安電子科技大學