基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，包括：確定有源相控陣天線T/R組件中發(fā)熱器件的參數(shù)，根據(jù)發(fā)熱器件的位置，設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤詈吞炀€冷板的幾何模型，建立天線的有限元模型，計(jì)算天線的陣面溫度場分布，計(jì)算天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差，計(jì)算有源相控陣天線的電性能，根據(jù)增益的指標(biāo)要求確定有源相控陣天線冷板的設(shè)計(jì)方案。采用本發(fā)明方法可以設(shè)計(jì)出基于器件位置的有源相控陣天線冷板方案，能夠有效帶走發(fā)熱器件所產(chǎn)生熱量且定量分析溫度變化對結(jié)構(gòu)變形和激勵(lì)電流幅度、相位的影響，在滿足天線電性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能前提下達(dá)到改善溫度分布、保障有效工作的目的。
【專利說明】基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達(dá)天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，可用于指導(dǎo)有源相控陣天線的冷板設(shè)計(jì)、機(jī)電熱耦合性能分析與評價(jià)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著有源相控陣天線對高增益、高功率、輕量化的需求，其熱流密度不斷增長。有源相控陣天線陣面上密布著成千上萬個(gè)T/R組件，熱功率非常高，同時(shí)T/R組件性能對溫度非常敏感。陣面溫度分布的不合理將嚴(yán)重影響天線陣面的幅度相位控制精度，且溫度分布會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形，從而使陣面天線單元的方向圖發(fā)生變化。兩者最終導(dǎo)致天線的電性能達(dá)不到要求甚至無法實(shí)現(xiàn)，最終使雷達(dá)目標(biāo)辨別不清、作用距離縮短、波束指向不準(zhǔn)，甚至無法發(fā)揮功效。因此，進(jìn)行高效的陣面散熱設(shè)計(jì)以使陣面上所有T/R組件在工作時(shí)處于合理的溫度范圍內(nèi)，已成為我國機(jī)載有源相控陣亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]液冷冷板由于其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、冷卻效率高、冷卻的熱載荷范圍大，因此在相控陣?yán)走_(dá)中得到了更加廣泛的應(yīng)用，對于高熱流密度有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的冷卻能起到很好的效果。現(xiàn)有的冷板流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是在某一種特定熱源排布或假設(shè)熱源位置分布均勻、發(fā)熱量均勻的情況下設(shè)計(jì)的，但是在實(shí)際多芯片組件封裝中，T/R組件中的發(fā)熱器件須根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行安裝分布，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱器件布置的多變性和復(fù)雜性，但現(xiàn)有的研究難以解決這種情況下有源相控陣天線的散熱問題。
[0004]因此，有必要根據(jù)有源相控陣天線T/R組件中發(fā)熱器件的位置排布，從機(jī)電熱耦合的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一種能有效帶走發(fā)熱器件所產(chǎn)生熱量且定量分析溫度對結(jié)構(gòu)變形和激勵(lì)電流幅度、相位影響的冷板流道形式，來達(dá)到散熱降溫的目的，并實(shí)現(xiàn)冷板的通用性和高效性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有的有源相控陣天線的冷板設(shè)計(jì)方法存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)有源相控陣天線的冷板設(shè)計(jì)，使有源相控陣天線在滿足天線電性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，達(dá)到改善溫度分布、保障有效工作的目的。
[0006]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，包括下述步驟:
[0008](I)根據(jù)有源相控陣天線T/R組件電路圖，確定其中發(fā)熱器件的參數(shù)；
[0009](2)根據(jù)T/R組件中各發(fā)熱器件的位置，設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤睿?br> [0010](3)根據(jù)冷板流道的拓?fù)湫螤?，確定流道截面的幾何參數(shù)，建立有源相控陣天線冷板的幾何模型；
[0011](4)根據(jù)有源相控陣天線冷板的幾何模型，建立有源相控陣天線的有限元模型；
[0012](5)將有源相控陣天線的有限元模型結(jié)合制冷系統(tǒng)的特性參數(shù)，確定流體冷卻參數(shù)，計(jì)算有源相控陣天線的陣面溫度場分布；
[0013](6)根據(jù)有源相控陣天線的陣面溫度場分布，計(jì)算有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差；
[0014](7)根據(jù)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差，計(jì)算有源相控陣天線的電性能，判斷天線增益是否滿足要求，若滿足要求，即可得到最佳的有源相控陣天線冷板設(shè)計(jì)方案；否則，修改流道截面的幾何參數(shù)，重復(fù)步驟(3)到(7)，直至滿足要求。
[0015]所述步驟(1)中發(fā)熱器件的參數(shù)包括功率放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、移相器和低噪聲放大器LNA的位置、幾何尺寸以及熱功耗。
[0016]所述步驟⑵中根據(jù)T/R組件中各發(fā)熱器件的位置，設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤?，按照以下步驟進(jìn)行:
[0017](2a)根據(jù)T/R組件中各發(fā)熱器件的位置，確定各發(fā)熱器件幾何中心點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0018](2b)用三次B樣條曲線對冷板上所有發(fā)熱器件的中心點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合；
[0019](2c)計(jì)算每相鄰兩發(fā)熱器件中心點(diǎn)之間構(gòu)成曲線的曲率，若計(jì)算出來的曲率大于這兩點(diǎn)之間距離倒數(shù)的一半，則需在此兩點(diǎn)間添加輔助點(diǎn)；若這兩相鄰發(fā)熱器件中心點(diǎn)構(gòu)成曲線并未經(jīng)過該兩點(diǎn)中的任意一點(diǎn)，則仍需在此兩點(diǎn)間添加輔助點(diǎn)；將此兩點(diǎn)的坐標(biāo)記為(xl, yl)和(x2, y2),輔助點(diǎn)的坐標(biāo)記為(x, y),則此三點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系滿足下式
[0020]

【權(quán)利要求】
1.基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: (1)根據(jù)有源相控陣天線T/R組件電路圖，確定其中發(fā)熱器件的參數(shù)； (2)根據(jù)T/R組件中各發(fā)熱器件的位置，設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤睿? (3)根據(jù)冷板流道的拓?fù)湫螤?，確定流道截面的幾何參數(shù)，建立有源相控陣天線冷板的幾何模型； (4)根據(jù)有源相控陣天線冷板的幾何模型，建立有源相控陣天線的有限元模型； (5)將有源相控陣天線的有限元模型結(jié)合制冷系統(tǒng)的特性參數(shù)，確定流體冷卻參數(shù)，計(jì)算有源相控陣天線的陣面溫度場分布； (6)根據(jù)有源相控陣天線的陣面溫度場分布，計(jì)算有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差，以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差； (7)根據(jù)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差，計(jì)算有源相控陣天線的電性能，判斷天線增益是否滿足要求，若滿足要求，即可得到最佳的有源相控陣天線冷板設(shè)計(jì)方案；否則，修改流道截面的幾何參數(shù)，重復(fù)步驟(3)到(7)，直至滿足要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(I)中發(fā)熱器件的參數(shù)包括功率放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、移相器和低噪聲放大器LNA的位置、幾何尺寸以及熱功耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤睿凑找韵虏襟E進(jìn)行: (2a)根據(jù)T/R組件中各發(fā)熱器件的位置與幾何尺寸，確定各發(fā)熱器件幾何中心點(diǎn)的坐標(biāo)； (2b)用三次B樣條曲線對冷板上所有發(fā)熱器件的中心點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合； (2c)計(jì)算每相鄰兩發(fā)熱器件中心點(diǎn)之間構(gòu)成曲線的曲率，若計(jì)算出來的曲率大于這兩點(diǎn)之間距離倒數(shù)的一半，則需在此兩點(diǎn)間添加輔助點(diǎn)；若這兩相鄰發(fā)熱器件中心點(diǎn)構(gòu)成曲線并未經(jīng)過該兩點(diǎn)中的任意一點(diǎn)，則仍需在此兩點(diǎn)間添加輔助點(diǎn)；將此兩點(diǎn)的坐標(biāo)記為(xl, yl)和(x2, y2),輔助點(diǎn)的坐標(biāo)記為(x, y),則此三點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系滿足下式
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樣條曲線對發(fā)熱器件的中心點(diǎn)和添加的輔助點(diǎn)重新進(jìn)行曲線擬合； (2e)將擬合出的曲線初始端用與該點(diǎn)處切線斜率相同的直線與冷板邊緣相交確定流道入口的幾何中心位置；同樣，將擬合出的曲線末端用與該點(diǎn)處切線斜率相同的直線與冷板邊緣相交確定流道出口的幾何中心位置，確定出完整的冷板流道的中心線，從而設(shè)計(jì)冷板流道的拓?fù)湫螤睢?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中流道截面的幾何參數(shù)包括流道截面的形狀和尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中有源相控陣天線的有限元模型，包括T/R組件外殼、發(fā)熱器件、天線單元、加強(qiáng)筋和冷板的有限元模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(5)中冷卻參數(shù)包括冷卻液的類型、冷卻液的入口溫度、入口流速和出口靜壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(6)中計(jì)算有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差、相位誤差，按照以下步驟進(jìn)行: (6a)根據(jù)有源相控陣天線的陣面溫度場分布，計(jì)算有源相控陣天線由熱引起的結(jié)構(gòu)變形量，分別提取各個(gè)天線單元中心節(jié)點(diǎn)在X，1，z方向上的位置偏移量(xm，n，yffl,n) zffl,n)，m、η分別表示有源相控陣天線M列、N行天線單元的編號； (6b)根據(jù)各個(gè)天線單元中心節(jié)點(diǎn)位置偏移量，按以下公式計(jì)算有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差Δ妒
其中，有源相控陣天線共有MXN個(gè)天線單元等間距排列，單元間橫向、縱向間距分別為Clj^Pdy, λ是有源相控陣天線的工作波長，θ，φ分別是遠(yuǎn)區(qū)電場目標(biāo)點(diǎn)的俯仰角和方位角； (6c)根據(jù)有源相控陣天線的陣面溫度場分布，提取出T/R組件中功率放大器的溫度Te和移相器的溫度Tp ；(6d)根據(jù)T/R組件中功率放大器的溫度Te，按以下公式計(jì)算激勵(lì)電流幅度誤差A(yù)I(Te)
(6e)根據(jù)T/R組件中移相器的溫度TP，按以下公式計(jì)算激勵(lì)電流相位誤差Δρ(7；)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于器件位置的有源相控陣天線冷板機(jī)電熱耦合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(7)計(jì)算有源相控陣天線的電性能，按照以下步驟進(jìn)行:(7a)根據(jù)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)變形引起的相位誤差Δ爐以及溫度變化引起的激勵(lì)電流幅度誤差A(yù)I(Te)、相位誤差40(7》)，按以下陣列天線機(jī)電熱耦合公式計(jì)算有源相控陣天線的電場分布Ε( θ，φ)
其中，fmn是天線單元在自由空間的方向圖灼是激勵(lì)電流的初始相位； (7b)根據(jù)有源相控陣天線的電場分布Ε(θ，Φ)，按以下公式計(jì)算有源相控陣天線最大輻射方向上的增益Gain
【文檔編號】G06F17/50GK104166765SQ201410404604
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】王從思, 段奇君, 王艷, 康明魁, 王猛, 朱敏波, 王偉, 保宏, 周金柱, 李娜 申請人:西安電子科技大學(xué)