【摘 要】
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阵列天线包含电源、T/R等众多的功率器件,而目前国内T/R组件的效率只有30%左右,当雷达系统工作时,天线阵面密布的T/R组件会产生大量的热耗散。T/R组件对温度很敏感,热量的不断累积会使得T/R组件温度过高、温差过大,这些都对天线的电性能产生严重影响。相控阵天线向着远距离探测、高集成度方向发展,内部热流密度会越来越大,而现有成熟的冷却方式由于从热源到终端热沉之间隔着众多的封装材料,从而限制其散热
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阵列天线包含电源、T/R等众多的功率器件,而目前国内T/R组件的效率只有30%左右,当雷达系统工作时,天线阵面密布的T/R组件会产生大量的热耗散。T/R组件对温度很敏感,热量的不断累积会使得T/R组件温度过高、温差过大,这些都对天线的电性能产生严重影响。相控阵天线向着远距离探测、高集成度方向发展,内部热流密度会越来越大,而现有成熟的冷却方式由于从热源到终端热沉之间隔着众多的封装材料,从而限制其散热能力的进一步提高,因此,无法满足未来大功率、高功耗的散热需求。嵌入式冷却将冷却液直接泵入芯片内部,跨过众多的封装材料,最大程度降低总热阻,具有非常高的散热能力。开展嵌入式散热的相关研究,可以为突破下一代高性能电子装备研制中的散热关键技术奠定基础。本文的研究对象是某有源相控阵天线,以机电热耦合理论为基础,针对最高温和均温性对天线电性能的影响,研究当前最高效的散热方式即嵌入式冷却。分别从天线单元和阵列天线两个维度对嵌入式散热开展研究,并与基于液冷冷板的传统远程冷却方案进行对比。本文具体的工作如下:（1）针对当下现有成熟的冷却方式无法满足未来高功耗散热需求的技术困境,为此,先以单个芯片为载体,对嵌入式散热进行研究。作为嵌入式冷却方式的对比,为单个芯片设计了基于液冷冷板的传统远程散热方案,最高温是44.19℃。以单个芯片为对象,提出了贯通式微通道结构嵌入式散热方案,优化结构后的最高温是23.53℃,与冷板方案相比,芯片嵌入式散热方案的最高温降低了46.75%,该热设计方案攻克了传统远程冷却方式的散热障碍,实现了极好的散热效果。（1）采用扰流结构能够促进传热的思路,设计了后掠断点式微通道嵌入式散热结构并进行优化,最高温是23.34℃,相比于冷板方案,最高温降低47.18%;相比于贯通式微通道结构,均温性能提高了8.44%。（2）针对断点式结构比较复杂的问题,设计了截断式微通道嵌入式散热结构,最高温是23.40℃,相比于冷板方案,降温能力提高了47.05%;相比于贯通式微通道结构,均温性能提高6.5%。（3）设计了含梯形凸槽的微通道嵌入式结构使得流体发生竖向流动以增强散热,结果显示最高温是23.56℃,相比于液冷冷板方案,最高温降低46.68%;相比于贯通式微通道结构,均温性能提高了2.6%。通过水-热综合性能参数判断出断点结构的综合传热性能最好。相比于传统的液冷冷板方案,单个芯片的仿真结果表明嵌入式冷却方式具有更强的散热能力。（2）针对相控阵天线中的大功率芯片散热难且所需泵功率高的问题,借鉴生物进化后具备的低耗高效特征的输运网络结构,将仿生结构引入到嵌入式冷却中,在解决散热难题的同时又尽可能的减少能源消耗。因此,为芯片单元设计了仿蜂巢微通道结构嵌入式散热方案,最高温是23.52℃,相比于液冷冷板方案,最高温降低了46.78%;相比于贯通式微通道结构,均温性能提高7.8%。设计了仿蜘蛛网散热结构并进行优化,最高温是23.41℃,相比于液冷冷板方案,最高温降低了47.02%;相比于贯通式微通道结构,均温性能提高2.6%。仿真结果表明仿蜂巢嵌入式方案的综合散热性能更优,仿生结构具有一定散热优势。（3）以阵列天线为研究对象,将前面的研究成果应用到阵列天线中。作为后面阵列天线嵌入式散热方案的对比,先采用液冷冷板的散热方式,最高温是50.55℃,温差是2.0℃。（1）采用嵌入式散热方案,考虑到芯片信号引脚的布局,选择贯通式微通道结构以提高散热方案的通用性,同时,为了使得流体都能同时泵入各个芯片内部进行冷却而不导致芯片的温差过大,为此,设计了矩形分流道贯通式微通道结构嵌入式散热方案,最高温是24.81℃,温差是1.99℃,相比于液冷冷板散热方案,最高温降低了50.92%。但是矩形分流道结构存在各分支流道的流量不均匀、差异较大问题。（2）设计了梯形分流道贯通式微通道嵌入式结构,目的是改善矩形分流道结构流量不均匀问题,仿真结果显示最高温是24.75℃,温差是1.86℃,相比于液冷冷板方案,最高温降低了51.04%;相比于矩形分流道结构,均温性能提高6.53%。阵列天线的仿真数据表明采用嵌入式冷却方案,散热效果非常明显。
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