基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，包括：确定有源相控阵天线T/R组件中发热器件的参数，根据发热器件的位置，设计冷板流道的拓扑形状和天线冷板的几何模型，建立天线的有限元模型，计算天线的阵面温度场分布，计算天线结构变形引起的相位误差以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差，计算有源相控阵天线的电性能，根据增益的指标要求确定有源相控阵天线冷板的设计方案。采用本发明方法可以设计出基于器件位置的有源相控阵天线冷板方案，能够有效带走发热器件所产生热量且定量分析温度变化对结构变形和激励电流幅度、相位的影响，在满足天线电性能、结构力学性能前提下达到改善温度分布、保障有效工作的目的。
【专利说明】基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达天线【技术领域】，具体涉及基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，可用于指导有源相控阵天线的冷板设计、机电热耦合性能分析与评价。
【背景技术】
[0002]随着有源相控阵天线对高增益、高功率、轻量化的需求，其热流密度不断增长。有源相控阵天线阵面上密布着成千上万个T/R组件，热功率非常高，同时T/R组件性能对温度非常敏感。阵面温度分布的不合理将严重影响天线阵面的幅度相位控制精度，且温度分布会引起结构变形，从而使阵面天线单元的方向图发生变化。两者最终导致天线的电性能达不到要求甚至无法实现，最终使雷达目标辨别不清、作用距离缩短、波束指向不准，甚至无法发挥功效。因此，进行高效的阵面散热设计以使阵面上所有T/R组件在工作时处于合理的温度范围内，已成为我国机载有源相控阵亟待解决的关键技术之一。
[0003]液冷冷板由于其结构简单、重量轻、冷却效率高、冷却的热载荷范围大，因此在相控阵雷达中得到了更加广泛的应用，对于高热流密度有源相控阵雷达T/R组件的冷却能起到很好的效果。现有的冷板流道拓扑结构都是在某一种特定热源排布或假设热源位置分布均匀、发热量均匀的情况下设计的，但是在实际多芯片组件封装中，T/R组件中的发热器件须根据实际电路设计的要求进行安装分布，这会导致发热器件布置的多变性和复杂性，但现有的研究难以解决这种情况下有源相控阵天线的散热问题。
[0004]因此，有必要根据有源相控阵天线T/R组件中发热器件的位置排布，从机电热耦合的角度出发，设计出一种能有效带走发热器件所产生热量且定量分析温度对结构变形和激励电流幅度、相位影响的冷板流道形式，来达到散热降温的目的，并实现冷板的通用性和高效性。
【发明内容】
[0005]针对现有的有源相控阵天线的冷板设计方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，指导有源相控阵天线的冷板设计，使有源相控阵天线在满足天线电性能、结构力学性能的前提下，达到改善温度分布、保障有效工作的目的。
[0006]本发明是通过下述技术方案来实现的:
[0007]基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，包括下述步骤:
[0008](I)根据有源相控阵天线T/R组件电路图，确定其中发热器件的参数；
[0009](2)根据T/R组件中各发热器件的位置，设计冷板流道的拓扑形状；
[0010](3)根据冷板流道的拓扑形状，确定流道截面的几何参数，建立有源相控阵天线冷板的几何模型；
[0011](4)根据有源相控阵天线冷板的几何模型，建立有源相控阵天线的有限元模型；
[0012](5)将有源相控阵天线的有限元模型结合制冷系统的特性参数，确定流体冷却参数，计算有源相控阵天线的阵面温度场分布；
[0013](6)根据有源相控阵天线的阵面温度场分布，计算有源相控阵天线结构变形引起的相位误差以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差；
[0014](7)根据有源相控阵天线结构变形引起的相位误差以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差，计算有源相控阵天线的电性能，判断天线增益是否满足要求，若满足要求，即可得到最佳的有源相控阵天线冷板设计方案；否则，修改流道截面的几何参数，重复步骤(3)到(7)，直至满足要求。
[0015]所述步骤(1)中发热器件的参数包括功率放大器、驱动放大器、移相器和低噪声放大器LNA的位置、几何尺寸以及热功耗。
[0016]所述步骤⑵中根据T/R组件中各发热器件的位置，设计冷板流道的拓扑形状，按照以下步骤进行:
[0017](2a)根据T/R组件中各发热器件的位置，确定各发热器件几何中心点的坐标；
[0018](2b)用三次B样条曲线对冷板上所有发热器件的中心点进行曲线拟合；
[0019](2c)计算每相邻两发热器件中心点之间构成曲线的曲率，若计算出来的曲率大于这两点之间距离倒数的一半，则需在此两点间添加辅助点；若这两相邻发热器件中心点构成曲线并未经过该两点中的任意一点，则仍需在此两点间添加辅助点；将此两点的坐标记为(xl, yl)和(x2, y2),辅助点的坐标记为(x, y),则此三点的坐标关系满足下式
[0020]
【权利要求】
1.基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，该方法包括下述步骤: (1)根据有源相控阵天线T/R组件电路图，确定其中发热器件的参数； (2)根据T/R组件中各发热器件的位置，设计冷板流道的拓扑形状； (3)根据冷板流道的拓扑形状，确定流道截面的几何参数，建立有源相控阵天线冷板的几何模型； (4)根据有源相控阵天线冷板的几何模型，建立有源相控阵天线的有限元模型； (5)将有源相控阵天线的有限元模型结合制冷系统的特性参数，确定流体冷却参数，计算有源相控阵天线的阵面温度场分布； (6)根据有源相控阵天线的阵面温度场分布，计算有源相控阵天线结构变形引起的相位误差，以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差； (7)根据有源相控阵天线结构变形引起的相位误差以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差，计算有源相控阵天线的电性能，判断天线增益是否满足要求，若满足要求，即可得到最佳的有源相控阵天线冷板设计方案；否则，修改流道截面的几何参数，重复步骤(3)到(7)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(I)中发热器件的参数包括功率放大器、驱动放大器、移相器和低噪声放大器LNA的位置、几何尺寸以及热功耗。
3.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中设计冷板流道的拓扑形状，按照以下步骤进行: (2a)根据T/R组件中各发热器件的位置与几何尺寸，确定各发热器件几何中心点的坐标； (2b)用三次B样条曲线对冷板上所有发热器件的中心点进行曲线拟合； (2c)计算每相邻两发热器件中心点之间构成曲线的曲率，若计算出来的曲率大于这两点之间距离倒数的一半，则需在此两点间添加辅助点；若这两相邻发热器件中心点构成曲线并未经过该两点中的任意一点，则仍需在此两点间添加辅助点；将此两点的坐标记为(xl, yl)和(x2, y2),辅助点的坐标记为(x, y),则此三点的坐标关系满足下式
2 X = xl + X 2 ( xl + x2V ( yl +IΓ/ α Λ、2 ( ι、2?; X——+0 =- (x2 —xl) +(γ2-γ?) Λ2 J 、Z JZl」 (2d)用三次B样条曲线对发热器件的中心点和添加的辅助点重新进行曲线拟合； (2e)将拟合出的曲线初始端用与该点处切线斜率相同的直线与冷板边缘相交确定流道入口的几何中心位置；同样，将拟合出的曲线末端用与该点处切线斜率相同的直线与冷板边缘相交确定流道出口的几何中心位置，确定出完整的冷板流道的中心线，从而设计冷板流道的拓扑形状。
4.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中流道截面的几何参数包括流道截面的形状和尺寸。
5.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中有源相控阵天线的有限元模型，包括T/R组件外壳、发热器件、天线单元、加强筋和冷板的有限元模型。
6.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中冷却参数包括冷却液的类型、冷却液的入口温度、入口流速和出口静压。
7.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中计算有源相控阵天线结构变形引起的相位误差以及温度变化引起的激励电流幅度误差、相位误差，按照以下步骤进行: (6a)根据有源相控阵天线的阵面温度场分布，计算有源相控阵天线由热引起的结构变形量，分别提取各个天线单元中心节点在X，1，z方向上的位置偏移量(xm，n，yffl,n) zffl,n)，m、η分别表示有源相控阵天线M列、N行天线单元的编号； (6b)根据各个天线单元中心节点位置偏移量，按以下公式计算有源相控阵天线结构变形引起的相位误差Δ妒
其中，有源相控阵天线共有MXN个天线单元等间距排列，单元间横向、纵向间距分别为Clj^Pdy, λ是有源相控阵天线的工作波长，θ，φ分别是远区电场目标点的俯仰角和方位角； (6c)根据有源相控阵天线的阵面温度场分布，提取出T/R组件中功率放大器的温度Te和移相器的温度Tp ；(6d)根据T/R组件中功率放大器的温度Te，按以下公式计算激励电流幅度误差AI(Te)
(6e)根据T/R组件中移相器的温度TP，按以下公式计算激励电流相位误差Δρ(7；)
8.根据权利要求1所述的基于器件位置的有源相控阵天线冷板机电热耦合设计方法，其特征在于，所述步骤(7)计算有源相控阵天线的电性能，按照以下步骤进行:(7a)根据有源相控阵天线结构变形引起的相位误差Δ炉以及温度变化引起的激励电流幅度误差AI(Te)、相位误差40(7》)，按以下阵列天线机电热耦合公式计算有源相控阵天线的电场分布Ε( θ，φ)
其中，fmn是天线单元在自由空间的方向图灼是激励电流的初始相位； (7b)根据有源相控阵天线的电场分布Ε(θ，Φ)，按以下公式计算有源相控阵天线最大辐射方向上的增益Gain
【文档编号】G06F17/50GK104166765SQ201410404604
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王从思, 段奇君, 王艳, 康明魁, 王猛, 朱敏波, 王伟, 保宏, 周金柱, 李娜 申请人:西安电子科技大学