一种基于器件布局的有源相控阵天线z型流道冷板设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，包括：1)确定各发热器件的位置；2)确定Z型流道的纵向和横向流道位置；3)确定T/R组件Z型流道几何模型；4)计算线阵的温度分布和压降；5)判断是否满足天线热设计指标。本发明提出一种Z型流道冷板的设计方法，通过计算阵面温度分布，判断Z型流道冷板是否满足热设计要求。该方法设计的Z型流道与传统的Z型流道相比，具有更好的散热能力，发热器件最高温度更低，并且有效降低冷板的压降，能够满足天线热设计指标，也能明显降低泵功，增强天线平台工作能力；该方法能够针对不同发热器件分布设计相应的Z型流道，以达到有源相控阵天线的温度要求，具有实际的工程意义。
【专利说明】一种基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法【技术领域】
[0001]本发明涉及天线【技术领域】，特别是一种面向有源相控阵天线的Z型流道冷板的设计方法。
【背景技术】
[0002]有源相控阵雷达由于器件高度集中，工作温度很高，所以热设计一直是相控阵雷达设计的关键问题之一。T/R组件是有源相控阵天线的核心部分，包含了功率放大器、低噪声放大器、衰减器等发热器件，而天线阵面上密布着数量庞大的T/R组件，所产生的发热量非常大，工作环境下天线阵面热流密度急剧上升。此外，T/R组件中的高功率放大器对温度敏感，高温度工作环境对高功率放大器性能影响严重，从而对相控阵雷达性能产生非常大的影响。液冷冷板具有结构简单、冷却效率高、流体可选种类多、冷却的热载荷范围宽的特点，对于高热流密度相控阵雷达T/R组件的冷却能起到很好的效果。因此，冷板在相控阵雷达中得到了更加广泛的 应用，冷板散热成为目前较为高效、稳定的散热方法。
[0003]Z型流道可作为冷板流道的一种形式，并能够达到一定散热效果。传统的Z型流道是由纵向流道与横向流道构成的，横向流道连接流道的出口与入口，出口处的横向流道与入口处的横向流道通过纵向流道相互连通。但是传统Z型流道在实际应用中容易出现发热器件温差较大的问题，造成高功率放大器件不能达到很好的散热效果，对冷板整体的散热效果会产生很大的影响。
[0004]因此，有必要根据有源相控阵天线的热设计指标要求，对Z型流道冷板进行设计以达到最优的散热效果。在确定T/R组件中各个发热器件的位置后，根据器件位置设计出与之相应的Z型流道，从而使天线线阵的最高温度以及压降达到热设计指标要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，该方法通过确定T/R组件中各个发热器件的位置，设计出与之相应的Z型流道，从而使有源相控阵天线冷板散热效果达到其热设计指标要求。
[0006]本发明是通过下述技术方案来实现的:
[0007]—种基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，该方法包括以下步骤:
[0008]I)根据T/R组件中各发热器件的布局，确定各发热器件的位置坐标；
[0009]2)由各个发热器件的位置坐标，进而确定T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置；
[0010]3)由T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置，确定T/R组件Z型流道几何模型；
[0011]4)根据T/R组件Z型流道几何模型，建立有源相控阵天线线阵的有限元模型，并计算有源相控阵天线线阵的温度分布以及压降；
[0012] 5)根据天线热设计的指标要求，判断计算有源相控阵天线线阵的温度分布以及压降是否满足有源相控阵天线热设计的指标要求，如果满足要求，则有源相控阵天线热设计符合要求；否则，修改阵列天线Z型流道几何截面参数，并重复步骤3)至步骤4)，直至满足要求。
[0013]进一步地，所述步骤I)中T/R组件包括发热器件高功率放大器、驱动放大器、低噪声放大器以及T/R组件外壳。
[0014]进一步地，所述步骤I)中各发热器件的位置坐标包括各发热器件的X方向坐标以及I方向坐标。
[0015]进一步地，所述步骤2)中确定T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置按照以下步骤进行:
[0016]2a)根据各发热器件的X方向坐标，以发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标，从而确定Z型流道冷板的纵向流道位置；
[0017]如果两片发热器件距离大于Z型流道宽度的2倍，则以发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标；
[0018]如果发热器件距离小于Z型流道宽度的2倍，且两片或者两片以上的发热器件的发热功率相差大于10倍，则两片或者两片以上的发热器件共用流道并分为一组，以发热功率较大的发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标；
[0019]如果两片或者两片以上的发热器件距离小于Z型流道宽度的2倍，且发热器件的发热功率相差小于10倍，则两片或者两片以上发热器件共用流道并分为一组，采用下式确定Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标X':
[0020]
【权利要求】
1.一种基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)根据T/R组件中各发热器件的布局，确定各发热器件的位置坐标； 2)由各个发热器件的位置坐标，进而确定T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置； 3)由T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置，确定T/R组件Z型流道几何模型； 4)根据T/R组件Z型流道几何模型，建立有源相控阵天线线阵的有限元模型，并计算有源相控阵天线线阵的温度分布以及压降； 5)根据天线热设计的指标要求，判断计算有源相控阵天线线阵的温度分布以及压降是否满足有源相控阵天线热设计的指标要求，如果满足要求，则有源相控阵天线热设计符合要求；否则，修改阵列天 线Z型流道几何截面参数，并重复步骤3)至步骤4)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤I)中T/R组件包括发热器件高功率放大器、驱动放大器、低噪声放大器以及T/R组件外壳。
3.根据权利要求1所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤I)中各发热器件的位置坐标包括各发热器件的X方向坐标以及y方向坐标。
4.根据权利要求3所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤2)中确定T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置按照以下步骤进行: 2a)根据各发热器件的X方向坐标，以发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标，从而确定Z型流道冷板的纵向流道位置； 如果两片发热器件距离大于Z型流道宽度的2倍，则以发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标； 如果发热器件距离小于Z型流道宽度的2倍，且两片或者两片以上的发热器件的发热功率相差大于10倍，则两片或者两片以上的发热器件共用流道并分为一组，以发热功率较大的发热器件的X方向坐标作为Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标； 如果两片或者两片以上的发热器件距离小于Z型流道宽度的2倍，且发热器件的发热功率相差小于10倍，则两片或者两片以上发热器件共用流道并分为一组，采用下式确定Z型流道冷板的纵向流道的X方向坐标X ':
5.根据权利要求1所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤3)中确定T/R组件Z型流道几何模型按照以下步骤进行: 3a)根据确定的T/R组件Z型流道的纵向流道位置以及Z型流道的入口横向流道位置和出口横向流道位置，分别连接Z型流道的纵向流道和Z型流道的入口横向流道位置以及出口横向流道； 3b)沿X方向坐标增大方向K条Z型流道的纵向流道分别命名为纵向流道1、纵向流道2......纵向流道N'； 3c)在平行于Z型流道的入口横向流道沿y方向坐标增大方向做K -1条Z型流道的入口横向流道，沿y方向坐标增大方向将N'条Z型流道的入口横向流道分别命名为入口横向流道1、入口横向流道2......入口横向流道K ;并在平行于Z型流道的出口横向流道沿y方向坐标减小方向做K -1条Z型流道的出口横向流道，沿y方向坐标增大方向将N'条Z型流道出口的横向流道分别命名为出口横向流道1、出口横向流道2......出 口横向流道N'； 3d)依次连接Z型流道纵向流道、Z型流道入口横向流道和Z型流道出口横向流道，删除命名标号不相同的Z型流道的纵向流道、Z型流道的入口横向流道、Z型流道的出口横向流道相连接的流道，得到N'条Z型流道； 3e)在N'条Z型流道的直角折角处加入圆角，确定Z型流道轴线轨迹，并使Z型流道几何截面沿Z型流道轴线轨迹拉伸，从而确定T/R组件Z型流道几何模型。
6.根据权利要求1所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤4)中有源相控阵天线线阵的有限元模型包括Z型流道冷板、T/R组件、加强筋以及天线单元。
7.根据权利要求1所述的基于器件布局的有源相控阵天线Z型流道冷板设计方法，其特征在于，所述步骤5)中有源相控阵天线热设计的指标要求包括发热器件限定温度、发热器件限定温差和限定冷板压降。
【文档编号】G06F17/50GK103970943SQ201410174889
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】王从思, 李兆, 康明魁, 王伟锋, 段宝岩, 黄进, 宋立伟, 李鹏, 王艳 申请人:西安电子科技大学