【摘 要】
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随着相控阵天线集成度的日益提高,高热流密度和狭小散热空间导致的散热问题也日益凸显。目前有源相控阵天线主要采用液冷系统进行散热,液冷系统的设计重点主要表现在三个方面:一是控制发热元件最高温度避免元件的烧毁;二是使T/R组件内芯片温度保持一致保证天线的整体电性能;三是满足天线的结构约束。拓扑优化方法可以根据天线系统的热源分布与结构约束改变流道结构的拓扑关系,是提高有源相控阵天线液冷系统散热能力最有前途
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随着相控阵天线集成度的日益提高,高热流密度和狭小散热空间导致的散热问题也日益凸显。目前有源相控阵天线主要采用液冷系统进行散热,液冷系统的设计重点主要表现在三个方面:一是控制发热元件最高温度避免元件的烧毁;二是使T/R组件内芯片温度保持一致保证天线的整体电性能;三是满足天线的结构约束。拓扑优化方法可以根据天线系统的热源分布与结构约束改变流道结构的拓扑关系,是提高有源相控阵天线液冷系统散热能力最有前途的技术之一,所以针对有源相控阵天线最高温度以及温度均匀性要求,如何应用拓扑优化方法设计流道结构是一个有着重要实际应用价值的问题。本文以相控阵天线的散热要求和结构约束为对象,研究基于拓扑优化的冷板设计方法,具体研究工作如下:（1）基于密度方法,建立了复杂设计域下的对流换热拓扑优化模型。针对相控阵的液冷散热问题,根据天线的结构约束及热源分布建立了二维模型并研究了结构约束处理方法,提出了面向相控阵天线的冷板拓扑优化设计流程。通过简化算例研究了传热系数对优化结果的影响,结果显示初始解对优化结果影响较大;通过相控阵冷板设计算例优化设计了流道结构,通过有限元仿真验证了该方法的有效性。（2）提出了一种基于材料场级数展开的冷板拓扑优化方法。针对传统密度拓扑优化方法变量过多的问题,基于降阶级数展开方法,将设计域中的材料场表示为确定性特征向量和少量待定系数的线性组合。将材料场与密度方法结合,大大减少了设计变量的数量,而且所提方法优化自由度接近传统密度方法。以第二章中的算例为对象进行测试,结果显示可以在将设计变量从10438减少到310的情况下得到类似的优化结果,验证了所提方法的有效性。（3）用所提方法优化设计了某高密度有源相控阵天线样机的冷板流道结构。将优化流道与传统分支流道通过有限元仿真进行了对比,结果显示优化后放大器芯片温度标准差从7.02℃分别降低至3.25℃和3.72℃,多功能芯片温度标准差从6.98℃分别降低至3.06℃和3.6℃。以传统密度方法优化流道为对象,通过金属3D打印技术加工了冷板样件并进行了实验测试。实验测试结果表明仿真和实验测试的冷板表面热源的温度误差最高为5.92%,说明仿真设计的结果和实验结果具有高度一致性。（4）基于所提冷板拓扑优化设计流程,使用C++Builder和MATLAB软件开发了一套面向相控阵天线的冷板拓扑优化设计软件,将本文方法更好地应用于工程设计中。
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