有源相控阵天线冷板机热联合优化设计研究

作     者：李国洲 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王从思

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：有源相控阵天线 冷板 热 结构 优化 

摘      要：当今电子技术快速发展、军事化战术需求不断增长,对雷达作用距离、目标分辨与识别能力、抗干扰能力和可靠性、维修性等性能指标提出了更高的要求。有源相控阵雷达与其他雷达相比,具有良好的性能和优势,已成为当今雷达发展的主流。为实现雷达高性能、多功能等需求,通常在其上集成了大量高发热量电子器件,而部分器件对温度很敏感,如T/R组件。因此为保证雷达工作的可靠性和稳定性,高效的雷达散热系统必不可少。冷板作为一种高效成熟的换热设备,在电子设备热设计上应用广泛,可以有效解决有源相控阵天线的散热问题。有源相控阵雷达常处于苛刻的使用环境,为保证其工作可靠,不仅需要对天线冷板进行良好的散热设计,还需要对冷板进行合理的结构设计。因此,综合考虑天线冷板结构和散热需求,需对天线冷板进行结构热联合优化设计。本文首先介绍了天线冷板设计基础理论,以某有源相控阵天线冷板为例,对深孔S型流道冷板进行散热分析,并分析了相关参数对散热性能的影响,如流道入口位置、流道直径、冷却液入口流速、入口温度等。通过分析确定了冷板流道的入口位置、入口温度,选定了热优化设计的优化变量,及变量取值范围,并进行热优化。通过热优化,设计出满足散热效果且压降最低的天线冷板。从分析结果可以看出,单独考虑散热需求,对冷板进行散热设计,虽能保证良好的散热效果,但没有考虑冷板的轻量化、小型化以及结构刚强度的需求。因此,文章第二部分以结构需求为约束条件对天线冷板进行轻量化设计。先对天线冷板进行模态和随机振动分析,并在此基础上对有源相控阵天线冷板进行以轻量化设计为目标的结构优化设计。通过对天线冷板结构特性的研究,确定了优化变量及其取值范围,将应力和基频作为约束条件,建立结构优化数学模型。经过优化,天线冷板质量明显降低,满足结构轻量化的设计需求,同时冷板结构强度、基频均能保证。最后在此研究基础上,从结构热耦合的角度出发,对天线冷板进行散热和轻量化设计,即在保证天线冷板散热要求和结构刚强度以及基频的要求下,使得天线冷板质量更轻。本文工作解决了当前天线冷板的发展需求,对工程应用有实际的指导意义。