CN110504548A - 基于液态金属的可散热频率选择装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于液态金属的可散热频率选择装置，主要解决现有技术不能对飞行器表面散热及不能对机载天线进行保护的问题。其包括频率选择阵列、壁板和液态金属进出口，频率选择阵列按照M行N列个频率选择单元排列，壁板固定在频率选择阵列四周，液态金属进出口位于左右壁板上。每个频率选择单元包括上盖、一个“Y”字形支柱和底座。该“Y”字形支柱位于上盖与底座之间，且周围分布有液态金属；所有单元的上盖紧密相接，构成频率选择阵列的盖板；所有单元的底座紧密相接，构成频率选择阵列的底板。本发明具有良好的散热效果和频率选择性能，且结构简单，便于与***共形和安装，可用于高速飞行器天线罩的散热频率选择。

Description

基于液态金属的可散热频率选择装置

技术领域

本发明属于电子产品技术领域，具体涉及一种频率选择装置，可用于高速飞行器天线罩的散热频率选择。

背景技术

随着科技的发展，电子器件在天线***中的集成度越来越高，尤其是有源天线的出现，较大功率天线***的散热问题越来越引起人们的关注。同时在飞机进入对流层时，由摩擦产生的热量十分巨大，热流密度能够达到1000W/cm²以上，为了保证内部电子设备的正常工作，也需要强大的散热能力。同时，频率选择表面FSS在飞行器隐身以及保护机载天线等方面应用的十分广泛。

频率选择表面FSS通常是由导电片或孔元件组成的周期性结构，其主要目的是反射，传输或吸收电磁波。随着现代通讯的不断发展，天线***对频率选择表面的性能要求进一步提高，传统的频率选择表面的性能已逐渐满足不了现实中的使用指标。

现有的频率选择模型通常是用激光刻印或者3D打印的方式在介质表面上打印铜贴片，或者在现有的单面覆铜板上铜面刻蚀频率选择单元图案。然后加在高速飞行器天线罩表面，只是单一地进行频率选择而不具备散热效果。频率选择表面的滤波作用对象是空间电磁波，需要关注的不仅有透射和反射的电磁波幅值和相位变化，还有交叉极化和热损耗等方面的问题，因此，在频率选择的同时会加剧天线罩表面的热累积，降低散热效果。例如，2015年田雨波、刘东和陈风申请的名称为“频率选择表面”专利号为：201510200529.2的发明专利，其公开了的一种由正中心开有正方形孔的正方形薄片单元周期排布形成的频率选择表面，该频率选择表面虽说能很好的覆盖2-18GHz频段，且带通S11值小于-15dB，可以实现超宽带范围吸波，但是带来的负面效果是加剧了天线罩表面的热累积，降低了散热效果，影响频率选择表面的正常工作。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于液态金属的可散热频率选择装置，以减小天线罩表面的热累积，提高散热效果保证频率选择表面的正常工作。

本发明技术方案是这样实现的：

一、技术原理

随着电子元器件集成化越来越高，人们越来越高的散热需求推动着冷却技术的快速发展。目前的冷却技术有：风冷，热管散热，液冷等。由于传统的散热方式已无法满足如今天线***的散热需求，而液态金属的出现在散热领域带来了观念和技术上的巨大改变，由于液态金属的良好导热率和流动性，大大提高了冷却技术的极限，给面临散热难题的航空航天、能源***的领域带来了全新的解决方案。

液态金属不仅有良好的导热率和流动性，同时兼备良好的导电性能，在循环流动散热的同时可以实现空间频率选择，本发明正是通过将液态金属填充在“Y”字形周围，形成频率选择表面，达到频率选择的技术要求。同时，通过电磁泵等其他装置驱动液态金属在腔体结构中循环流动而带走热量，以实现对***的高效散热。

二、技术方案

根据上述原理，本发明基于液态金属的可散热频率选择装置，包括频率选择阵列、壁板和液态金属进出口，频率选择阵列按照M行N列个频率选择单元排列，且每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐，壁板固定在频率选择阵列四周，液态金属进出口位于左右壁板上，M≥1，N≥1，其特征在于：

每个单元包括上盖、一个“Y”字形支柱和底座，该“Y”字形支柱位于上盖与底座之间，且周围分布有液态金属；

所有单元的上盖紧密相接，构成频率选择阵列的盖板；所有单元的底座紧密相接，构成频率选择阵列底板。

进一步，所述“Y”字形支柱采用将三条直线单元按圆周阵列分布的中心连接型结构，相邻分支的夹角相同或不同，上盖和底座是大小相同的正方形板，两者平行设置，且中心均位于“Y”字形支柱三条分支的连接轴线上。该“Y”字形支柱的高度、三个分支的长度和宽度、相邻分支的夹角、上盖和底座的边长和厚度均根据实际工作频率进行调整，以使整体装置的带通S11值小于-15dB。

进一步，所述液态金属为室温下呈液态的金属，包括镓、铟、锡、铋和锌中至少一种的金属流体，或者是包括镓、铟、锡、铋和锌中至少两种的合金流体，根据实际工作情况进行调整，以使其具备良好的流动性、导热性和导电性。

本发明相比现有技术具有以下优势：

第一，本发明通过“Y”字支柱和分布在其周围的液态金属共同形成频率选择表面，不仅可满足在不同实际工作频率下整体装置的带通S11参数小于-15dB的要求，而且“Y”字形支柱能对液态金属的流动起到扰流作用，即延长液态金属的流动路径，提高散热效果；

第二，本发明中由于将所有频率选择单元按周期排布构成频率选择阵列，使得相邻频率选择单元的上盖、底座紧密接触，分别形成了整个频率选择阵列的盖板和底板，不仅避免了相邻两个频率选择单元之间的接触热阻，而且使得本发明装置具有结构简单，占用空间小，空间利用率高，便于和***共形，便于安装的优势；

第三，本发明提供的频率选择表面结构可以应用到通信、导航、雷达、制导等高科技领域，以满足不同领域兼具散热和频率选择的需求。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对所述发明内容或者实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的右视图；

图4为本发明中的频率选择单元结构示意图；

图5为图4的正视图；

图6为图4的俯视图；

图7为在本发明实施例底部中心加上50W热源后，采用自然对流散热方式得到的温度云图；

图8为在本发明实施例底部中心加上50W热源加热后，通过驱动液态金属循环流动进行散热得到的温度云图；

图9为本发明实施例的带通S11曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的用途，技术方案，侧重点及优点表达得更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合、拓展，同样可以达到本发明所期望的效果，所以下述实施例仅仅是说明性的，不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

参照图1，本发明基于液态金属的可散热频率选择装置，包括频率选择阵列1、壁板4和液态金属进出口5，频率选择阵列1由M行N列的频率选择单元11排列组成，且每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐，其中，M≥1，N≥1，壁板4固定在频率选择阵列四周，液态金属进出口5位于左右壁板上。

参照图4，本实施例中的频率选择单元11，包括上盖111、一个“Y”字形支柱112和底座113，该“Y”字形支柱112采用将三条直线单元按圆周阵列分布的中心连接型结构，相邻分支的夹角相同或不同，其位于上盖111与底座113之间，且周围分布有液态金属6。上盖111和底座113采用大小相同的正方形板，且两者平行设置，其中心均位于“Y”字形支柱112三条分支的连接轴线上。

“Y”字形支柱112的高度、三个分支的长度和宽度、相邻分支的夹角、上盖111和底座113的边长和厚度均根据实际工作频率进行调整，以使整体装置的带通S11值小于-15dB为基准。

本实例取但不限于“Y”字形支柱112高度为5mm，三个分支长度均为4.4mm，宽度均为3.5mm，相邻两个分支的夹角为120°，且有一个分支与单元底板的右表面平行设置，上盖111和底座113均为长12.5mm，宽12.5mm，高2mm的正方形板，如图5和图6所示。

所有频率选择单元11的上盖111紧密相接，构成频率选择阵列1的盖板2，所有频率选择单元11的底座113紧密相接，构成频率选择阵列1的底板3。整个装置的大小取决于频率选择单元排列的行数M和列数N、每个频率选择单元11的尺寸以及壁板4的厚度，即本发明装置的高度等于频率选择单元11的高度，整个装置的长度等于N个频率选择单元11的边长与两个壁板4的厚度之和，整个装置的宽度等于M个频率选择单元11的边长与两个壁板4的厚度之和，其中，为减小液态金属6对腔体结构的冲击力，每个圆形通孔的直径均小于等于“Y”字形支柱112的高度。

本实施例取但不限于M＝10，N＝10，壁板4的厚度为2mm，液态金属进出口5均为直径Φ＝4mm的圆形通孔，通孔圆心位于左右壁板的正中心处，整个装置的长为129mm、宽为129mm、高为9mm，如图2和图3所示。

所述液态金属6为室温下呈液态的金属，包括镓、铟、锡、铋和锌中至少一种的金属流体，或者是包括镓、铟、锡、铋和锌中至少两种的合金流体，根据实际工作情况进行选择，以使其具备良好的流动性、导热性和导电性，本实施例中的液态金属6选用但不限于Ga₆₈In₂₀Sn₁₂。工作时，液态金属的流速通过外部的电磁泵，节流阀和调速器共同调节控制。

本发明装置中的“Y”字形支柱112、盖板2、底板3以及壁板4均采用Al₂O₃陶瓷或玻璃这些具有良好耐腐蚀性和透波性的材料，本实施例选用但不限于Al₂O₃陶瓷材料。

为了对比该发明的优越性，以相同热源加热该发明装置，分别通过自然对流和利用电磁泵驱动液态金属循环流动带走热量两种不同的方式，利用商业仿真软件AnsysIcepak19.0对本发明装置的散热效果进行仿真。

1.仿真参数：

设置“Y”字形支柱112高度为5mm，三个分支长度均为4.4mm、宽度均为3.5mm，相邻两个分支的夹角为120°，上盖111和底座113长均为12.5mm、宽均为12.5mm、高均为2mm，M＝10，N＝10，壁板4的厚度为2mm，液态金属进出口5直径均为Φ＝4mm，整个装置的长为129mm、宽为129mm、高为9mm。

液态金属6为选用Ga₆₈In₂₀Sn₁₂材料，其密度为6363kg/m³，比热容为366J/kg·k，粘度为0.00222kg/m·s，热导率为16.5w/m·k，该热导率远远高于水的热导率。

“Y”字形支柱11、底板2、盖板3以及壁板4均选用Al₂O₃陶瓷材料，该陶瓷材料的密度为3970kg/m³，比热容为840J/kg·k，热导率为27w/m·k。

“Y”字形支柱11分别与底板2和盖板3之间均不存在接触热阻，壁板4分别与底板2和盖板3之间也不存在接触热阻。

为了让两个实验形成对比，自然对流散热时，液态金属6进口的速度设为0，即设定液态金属6为静止状态，利用电磁泵驱动液态金属6循环流动进行散热时，液态金属6进口的速度设为0.5m/s。

为了统一两个实验的其他变量，本实例装置的初始温度和环境温度均为20℃，初始压力值均为标准大气压，同时，仿真中均不考虑辐射换热。

2.仿真内容与结果：

仿真1，在本实例装置的底部中心加上50W热源后，采用自然对流方式对整个装置进行散热，得到整个装置下表面的温度云图，如图7所示。

从图7可以看出，温度主要聚集在热源处，向四周逐渐降低，装置下表面最高温达236.380℃，最低温在200℃左右，说明自然对流不能将热量散出去，在这种情况下，天线***会出现故障。

仿真2，在本实例的装置的底部中心加上50W热源后，驱动液态金属6循环流动对整个装置进行散热，得到整个装置下表面的温度云图，如图8所示。

从图8可以看出，通过驱动液态金属6的循环流动，液态金属6快速流过装置的高温表面，将热量带走，整个装置下表面最高温只有26.5052℃，起到了散热效果，天线***可正常工作。

对比图7和图8结果，表明本发明可降低天线***的温度，对天线***进行高效散热。

仿真3，设液态金属6属于理想的金属电导体，Al₂O₃陶瓷的介电常数为9.8，利用商业仿真软件HFSS 2017_18.0对本实例装置的电性能进行仿真，得到带通S11曲线，结果如图9所示。

从图9可以看出，当谐振频率f＝15.7GHz时S11＝-15.9699dB，即S11达到-15dB以下，表现出良好的电性能，能够满足现实中的使用要求。

以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域来说可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于液态金属的可散热频率选择装置，包括频率选择阵列(1)、壁板(4)和液态金属进出口(5)，频率选择阵列(1)按照M行N列个频率选择单元(11)排列，且每一行的单元在水平方向对齐，每一列的单元在垂直方向对齐，壁板(4)固定在频率选择阵列四周，液态金属进出口(5)位于左右壁板上，M≥1，N≥1，其特征在于：

每个单元(11)包括上盖(111)、一个“Y”字形支柱(112)和底座(113)，该“Y”字形支柱(112)位于上盖(111)与底座(113)之间，且周围分布有液态金属(6)；

所有单元的上盖(111)紧密相接，构成频率选择阵列(1)的盖板(2)；所有单元的底座(113)紧密相接，构成频率选择阵列(1)的底板(3)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：“Y”字形支柱(112)采用将三条直线单元按圆周阵列分布的中心连接型结构，相邻分支的夹角相同或不同，上盖(111)和底座(113)是大小相同的正方形板，两者平行设置，且中心均位于“Y”字形支柱(112)三条分支的连接轴线上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：“Y”字形支柱(112)的高度、三个分支的长度和宽度、相邻分支的夹角、上盖(111)和底座(113)的边长和厚度均根据实际工作频率进行调整，以使整体装置的带通S11值小于-15dB。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：液态金属(6)为室温下呈液态的金属，包括镓、铟、锡、铋和锌中至少一种的金属流体，或者是包括镓、铟、锡、铋和锌中至少两种的合金流体，根据实际工作情况进行调整，以使其具备良好的流动性、导热性和导电性。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：“Y”字形支柱(112)、盖板(2)、底板(3)以及壁板(4)均采用Al₂O₃陶瓷或玻璃这些具有良好耐腐蚀性和透波性的材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：两个液态金属进出口(5)均为圆形通孔，每个圆形通孔的直径均小于等于“Y”字形支柱(112)的高度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：进出口液态金属的流速通过外部的电磁泵，节流阀和调速器共同调节控制。