隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，毫米波有源相控陣因體積小、重量輕、掃描靈活、抗干擾等特點(diǎn)被廣泛用于軍事與民用領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，毫米波相控陣的系統(tǒng)集成度越來越高，陣面內(nèi)毫米波功放組件的功耗與熱流密度也在不斷增加，毫米波相控陣內(nèi)的組件散熱集成逐漸成為陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的瓶頸問題。為保證毫米波相控陣天線具備陣面可擴(kuò)展性及相控陣的可維修性，毫米波功放組件通常需要設(shè)計(jì)成薄刀片結(jié)構(gòu)，但因毫米波頻段天線的工作頻率高，工作波長(zhǎng)短，天線陣面的組陣間距通常小于10 mm，毫米波功放組件需要在極小的高度尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)組件的液冷散熱集成，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱設(shè)計(jì)的難度遠(yuǎn)超出一般功放組件的設(shè)計(jì)難度。目前毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與液冷散熱設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外公開的研究中涉及較少。本文通過對(duì)毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在毫米波相控陣天線組陣間距為5 mm條件下毫米波功放組件的模塊化盲插結(jié)構(gòu)及液冷散熱集成設(shè)計(jì)。

毫米波功放組件內(nèi)的功率放大芯片及收發(fā)多功能芯片尺寸小，熱流密度大，其熱失效問題嚴(yán)重影響相控陣面的運(yùn)行效率及使用壽命。同時(shí)毫米波相控陣內(nèi)通常需要多個(gè)毫米波功放組件單件，單個(gè)陣列的不同組件的功率也不一致，而組件對(duì)工作溫度一致性要求非常高，溫度分布不均對(duì)電性能的影響十分顯著。本文通過仿真計(jì)算的方式對(duì)不同組件內(nèi)的流量分配及溫度一致性進(jìn)行了研究，提供了同位芯片的溫度分布界限，并以此為依據(jù)，采用電氣補(bǔ)償電路消除或降低核心芯片溫度分布的影響，提高毫米波相控陣組件的一致性與性能。

某毫米波相控天線陣的方位和俯仰陣元數(shù)分別為16 元和32 元，橫向和縱向陣列間距皆為5 mm。毫米波相控天線陣需要具備可擴(kuò)展性及快速維修性，天線陣面需要設(shè)計(jì)成刀片組件結(jié)構(gòu)以適應(yīng)陣面的快速維修。天線陣面采用液冷散熱，冷卻工質(zhì)為AF65#防凍液，供液最小流量為12 L/min，最大流量為15 L/min，天線陣整機(jī)散熱熱負(fù)荷為4 750 W，毫米波功放組件部分散熱功率為4 160 W，供液溫度為45 ?C。

毫米波功放組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一就是需要在極小的尺寸內(nèi)集成組件內(nèi)的功能芯片和電路，同時(shí)解決組件內(nèi)功放芯片的散熱問題。毫米波功放芯片的結(jié)構(gòu)尺寸極小，功耗與熱流密度較大，因此芯片的散熱設(shè)計(jì)集成也成為組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與瓶頸。文中毫米波相控陣的陣面組陣間距僅為5 mm，為實(shí)現(xiàn)毫米波相控陣的快速盲插結(jié)構(gòu)集成，本文設(shè)計(jì)的單個(gè)毫米波功放組件為刀片組件結(jié)構(gòu)，而毫米波功放組件在方位方向的天線陣面長(zhǎng)度僅為80 mm，因此單個(gè)相控陣內(nèi)毫米波功放組件在方位方向?qū)嵭幸惑w化設(shè)計(jì)。為將液冷散熱流道集成至單個(gè)毫米波功放組件內(nèi)部，同時(shí)減少天線轉(zhuǎn)接插損，文中毫米波功放組件在俯仰方向上集成為2組天線陣元，既保證毫米波功放組件具有一定的厚度尺寸用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱集成，又保證天線與功放組件設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)接電纜帶來的插損，可極大地提升毫米波相控天線陣的整體性能。綜上所述，單個(gè)毫米波功放組件需要集成16 × 2 元天線，厚度方向需要小于10 mm（2倍組陣間距），本文設(shè)計(jì)的毫米波功放組件的最終主體厚9.7 mm。

整個(gè)毫米波相控天線陣總共包含16 × 32 元陣元，需要拆分設(shè)計(jì)為16個(gè)毫米波功放組件，單個(gè)功放組件的散熱負(fù)荷為260 W，單個(gè)組件的設(shè)計(jì)標(biāo)稱流量為0.75 ～ 0.94 L/min，系統(tǒng)中毫米波功放組件位于液冷散熱流路的前端，根據(jù)液冷流量選擇通徑為3 mm的液冷盲插連接器。

為實(shí)現(xiàn)毫米波相控陣的快速維修，毫米波功放組件需要設(shè)計(jì)成盲插結(jié)構(gòu)。由于組件可用的盲插液冷連接器的外部尺寸超過單個(gè)毫米波功放組件的厚度尺寸，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，組件的盲插結(jié)構(gòu)也成為組件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)之一。本文首先對(duì)單個(gè)組件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用鏡像扣合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)組件的盲插結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)。單個(gè)毫米波功放組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)組件扣合集成后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1 毫米波功放組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 毫米波功放組件扣合結(jié)構(gòu)示意圖

毫米波功放組件內(nèi)部主要散熱芯片參數(shù)見表1。為提升毫米波功放組件內(nèi)核心芯片的散熱能力，組件內(nèi)開關(guān)芯片與功放芯片采用共晶安裝在金剛石銅載板上，其余芯片粘貼至0.45 mm厚的陶瓷電路片上。芯片主要排布結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表 1 主要散熱芯片參數(shù)

圖 3 主要散熱芯片分布示意圖

采用商用FloEFD軟件進(jìn)行仿真分析，對(duì)設(shè)備物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后開展仿真與計(jì)算。其主要邊界條件設(shè)置如下：1）冷卻工質(zhì)為AF65#冷卻液；2）進(jìn)液溫度為45 ?C；3）盒體材質(zhì)為鈦合金，其導(dǎo)熱系數(shù)為8 W/(m·K)；4）陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)；5）芯片接觸熱阻按安裝方式進(jìn)行折合，芯片熱耗參數(shù)見表1；6）計(jì)算模型為FloEFD修正的k-ε湍流模型；7）進(jìn)口流量為 0.75 L/min（最小流量）。

本文針對(duì)毫米波功放組件流道內(nèi)散熱翅片的間距、寬度、節(jié)距等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化迭代，尋找到一組綜合性能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)數(shù)值仿真優(yōu)化計(jì)算得到的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 毫米波功放組件流道結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)仿真優(yōu)化迭代，本文綜合各項(xiàng)指標(biāo)，選擇組件的散熱翅片尺寸為：翅片厚0.8 mm、翅間間距0.8 mm、單側(cè)翅片高0.55 mm（兩側(cè)流道總高1.1 mm），模塊基板厚1 mm。經(jīng)數(shù)值求解計(jì)算后，毫米波功放組件內(nèi)芯片安裝面的溫度分布云圖如圖5所示，組件進(jìn)出液流阻為76.9 kPa，其流場(chǎng)及流阻分布如圖6所示。

圖 5 毫米波功放組件內(nèi)溫度分布云圖

圖 6 毫米波功放組件流道內(nèi)壓力分布云圖

由最終仿真計(jì)算結(jié)果可知，毫米波功放組件內(nèi)功放芯片散熱風(fēng)險(xiǎn)最大，其最高和最低安裝面溫度分別為 94.5?C和112.6?C，計(jì)算最高結(jié)溫為154.6?C，低于芯片許用結(jié)溫175 ?C，計(jì)算溫度降額為20.4?C。功放芯片為毫米波功放組件內(nèi)的關(guān)鍵芯片，其安裝面溫度最大差值為18.1?C，該差值主要與流動(dòng)方向、液冷散熱流道布局以及功放芯片的布局有關(guān)。由于技術(shù)水平的限制，毫米波功放組件的工作溫度對(duì)其工作性能具有很大的影響。毫米波功放組件內(nèi)功放芯片的溫度一致性是組件結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。文中毫米波相控陣面內(nèi)無溫度補(bǔ)償時(shí)陣面允許的不同功放芯片的工作溫度最大溫差僅為8?C，受限于組件的結(jié)構(gòu)尺寸及體積，同時(shí)為保證組件的電氣性能，組件內(nèi)的功放芯片不能設(shè)計(jì)為純并聯(lián)的流道，因而通過提升流動(dòng)均勻性來實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)毫米波芯片工作溫度的均勻性。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，毫米波功放組件內(nèi)的不同位置芯片的溫度差值最大為18.1?C，對(duì)相控陣陣面的性能影響較大。因此，本文以功放芯片的工作溫度差值為溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)組件內(nèi)的功放芯片設(shè)置溫度補(bǔ)償電路，根據(jù)功放芯片位置及計(jì)算溫度差值調(diào)整對(duì)應(yīng)芯片的增益數(shù)值以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。本文通過溫度補(bǔ)償電路對(duì)不同位置的功放芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小由流道設(shè)計(jì)及芯片位置布局導(dǎo)致的溫度不均的影響，最終整個(gè)相控陣陣面內(nèi)的不同功放芯片的增益差值不超過0.3 dB。

由于毫米波功放組件內(nèi)的功放芯片尺寸極小，本身不具備溫度測(cè)試功能，而功放組件采用激光封焊結(jié)

構(gòu)，無法通過外置熱電偶等對(duì)毫米波組件內(nèi)核心芯片的實(shí)際工作溫度進(jìn)行測(cè)量，因此本文通過對(duì)比組件健康管理的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值來校核數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。毫米波功放組件的芯片溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于組件內(nèi)功放芯片的金剛石銅載板上。相控陣陣面進(jìn)行高溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，采用獨(dú)立的調(diào)試液冷源進(jìn)行高溫試驗(yàn)。供液溫度為40 ?C（液冷源供液溫度偏差±1?C），陣面供液流量為12 L/min（最小流量，液冷源流量偏差±1%），毫米波相控陣陣面內(nèi)16組組件內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與計(jì)算值的最大溫度偏差為3.2?C，最大相對(duì)偏差約為3.1%。

毫米波功放組件在相控陣內(nèi)為并聯(lián)排布，其流量特性對(duì)組件的使用及制造一致性要求具有重要的意義。為了保證冷卻液能夠被可靠、準(zhǔn)確地分配到每個(gè)組件中，本文對(duì)毫米波功放組件的流量–阻力響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析研究，通過對(duì)允許的最大/最小流阻進(jìn)行數(shù)值求解，得到組件內(nèi)的最小/最大流量，并對(duì)比分析了功放芯片的溫度分布。

毫米波功放組件的設(shè)計(jì)流量為0.75 L/min，設(shè)計(jì)流阻為76.9 kPa，在實(shí)際制造中加工偏差、焊接影響等諸多因素會(huì)使組件一致性存有偏差，加工與制造允許組件的最高流阻偏差為±10%，即最大流阻為84.59 kPa，最小流阻為69.21 kPa。經(jīng)仿真計(jì)算可知，毫米波功放組件內(nèi)最大計(jì)算流量為0.794 L/min，最小計(jì)算流量為0.707 L/min，組件的最大流量偏差范圍為?5.73% ～ +5.87%。功放芯片在最大流量偏差條件下的安裝面溫度分布見表2和表3。

1）毫米波功放組件流阻偏差為±10%時(shí)，流量波動(dòng)偏差不超過±6%；

2）毫米波功放組件內(nèi)同位置芯片因流量波動(dòng)溫度的波動(dòng)范圍較小，最大波動(dòng)范圍為?1.4?C ～+1.2?C，平均波動(dòng)范圍為?0.4?C ～ +0.4?C；

3）當(dāng)毫米波功放組件流阻波動(dòng)為+10%時(shí)，毫米波功放組件內(nèi)流量減少5.7%，功放芯片最高溫度上升約0.3?C，仍滿足芯片散熱設(shè)計(jì)要求，毫米波功放組件的阻力偏差（±10%以內(nèi)）對(duì)其散熱性能影響較小。

實(shí)際工作時(shí)，毫米波功放組件內(nèi)的實(shí)際流量不僅取決于組件的流量–阻力特性，也受到毫米波相控陣所在的系統(tǒng)供液管網(wǎng)的影響。通常系統(tǒng)管網(wǎng)僅具備一定限度的流量調(diào)整特性，在完成流量調(diào)整后處于被分液狀態(tài)，其流量分配波動(dòng)范圍較大。本文亦對(duì)管網(wǎng)流量波動(dòng)對(duì)毫米波功放組件的流量特性影響進(jìn)行了數(shù)值分析。

系統(tǒng)供液管網(wǎng)的流量波動(dòng)通過分機(jī)的流量波動(dòng)傳遞給分機(jī)內(nèi)的通液模塊。本文設(shè)計(jì)的毫米波功放組件工作的毫米波相控陣陣面分機(jī)為系統(tǒng)的核心分機(jī)，供液管網(wǎng)的流量波動(dòng)范圍為12 ～ 15 L/min，管網(wǎng)流量偏差范圍為0% ～ 25%。文中計(jì)算時(shí)以分機(jī)最低供液流量作為核心設(shè)計(jì)與計(jì)算工況。當(dāng)分機(jī)供液流量趨于上限時(shí)，相控陣內(nèi)單個(gè)毫米波功放組件的平均流量為0.94 L/min，計(jì)算流阻為112.5 kPa?？紤]實(shí)際加工過程中組件的流阻偏差為±10%，對(duì)應(yīng)組件的最大與最小流量分別為0.99 L/min與0.89 L/min，流量波動(dòng)范圍為?5.3% ～ +5.39%，此時(shí)與管網(wǎng)供液流量區(qū)域下限時(shí)相比，毫米波功放組件內(nèi)對(duì)應(yīng)位置芯片的溫度均下降，最大溫度值為1.5?C。

同時(shí)經(jīng)對(duì)比分析及計(jì)算，當(dāng)管網(wǎng)流量趨于上限供液流量時(shí)，毫米波功放組件由阻力差異導(dǎo)致的流量不均和溫度不均問題皆較下限供液流量時(shí)稍稍突出些。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的毫米波功放組件流量響應(yīng)特性較好，在組件阻力相差±10%的條件下，組件流量不均勻度小于±6%，組件內(nèi)同位置功放芯片的最大溫差不超過±1.5?C，平均溫差為±0.4?C。對(duì)于系統(tǒng)管網(wǎng)的流量波動(dòng)，毫米波功放組件具備更優(yōu)異的流量響應(yīng)特性。當(dāng)毫米波功放組件所處的相控陣陣面分機(jī)的供液管網(wǎng)滿足下限供液流量時(shí)，毫米波功放組件的溫度均勻性與流量均勻性隨著管網(wǎng)流量正向波動(dòng)而稍稍明顯些。

本文針對(duì)某毫米波相控陣陣面設(shè)計(jì)了一種厚9.7 mm的毫米波功放組件盲插插件，實(shí)現(xiàn)了毫米波相控陣天線組陣間距為5 mm條件下毫米波功放組件的模塊化盲插結(jié)構(gòu)及液冷散熱集成設(shè)計(jì)；以毫米波功放組件內(nèi)功放芯片的計(jì)算工作溫度分布為依據(jù)，通過溫度補(bǔ)償電路，使得整個(gè)毫米波相控陣陣面內(nèi)組件的增益差值不超過0.3 dB；通過數(shù)值分析對(duì)毫米波功放組件的流量特性進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明組件具備良好的流量響應(yīng)特性，在組件阻力一致性相差±10%時(shí)，組件內(nèi)同位置功放芯片的溫差不超過±1.5?C。同時(shí)組件對(duì)系統(tǒng)供液管網(wǎng)的流量波動(dòng)具有優(yōu)異的適應(yīng)能力，管網(wǎng)流量波動(dòng)下限滿足最低設(shè)計(jì)供液要求時(shí)，組件可適應(yīng)管網(wǎng)供液流量波動(dòng)范圍0% ～ 25%。本文設(shè)計(jì)的毫米波相控陣組件具備快速盲插結(jié)構(gòu)且能保證陣列的一致性與可靠性，可供大型毫米波相控陣陣列及毫米波相控陣?yán)走_(dá)的一體化設(shè)計(jì)參考。