高密度有源阵列天线被广泛应用于雷达、通信、深空探测与监视、天基预警等领域,作为一种电磁—结构—热紧密结合的系统,机电耦合设计是必由之路。随着发射功率的不断提高,热对电磁与结构性能的影响愈发凸显,逐步成为一个主要矛盾。基于此,本文对高密度有源阵列天线的散热与机电耦合设计进行了深入而系统的研究,包括热效应对天线电性能影响建模、液冷流道多学科非线性分析、流道的布局与拓扑设计、机电耦合热控实验等工作,具体如下:1.建立了热对有源阵列天线电性能影响的机电耦合分析模型。首先,通过热对有源阵列天线电性能影响的进一步分析,发现影响有两个主要途径,一是辐射通道中温度对T/R组件性能的影响,二是温度对整个阵面的影响。其次,深入剖析上述两条途径并导出了相应的数学关系式,进而建立了热对有源阵列天线电性能影响的机电耦合分析模型。再者,典型案例的数值试验与作者搭建的实物实验,验证了模型的正确性与有效性。2.提出了基于流动边界层理论与流体-热控耦合的冷板多层等效分析方法。针对有源阵列天线三维共轭传热分析效率低的问题,提出了将冷板结构划分为器件—盖板层、对流层以及地板层的多层建模思路,引入等效换热系数作为各层联系的纽带,将三维共轭传热分析转化为多层二维共轭传热分析。基于普朗特边界层理论,分别导出了定常流体属性、流体-热控耦合作用下温变流体属性的边界层的对流换热系数,进一步提高了二维共轭传热分析的准确性。数值算例说明了所提方法的正确性和有效性。3.提出了阵列天线散热冷板流道多学科拓扑优化方法。基于有源阵列天线机电热多学科特点,以流道拓扑布局为设计变量,天线电性能为目标、流体流动耗散功与流体体积占比为约束,建立了有源阵列天线散热冷板的机电热优化设计模型。为导出天线电性能与拓扑设计变量间的关系,引入连续伴随方法,给出了考虑流体流动、系统散热及天线电性能的伴随控制方程。所提方法应用于典型算例,得到了满意的结果。4.参与研制了有源阵列天线机电耦合热控实验模型并实验验证了上述模型、方法的正确性与有效性。基于所提出的有源阵列天线机电耦合分析模型,分别就阵列天线典型风冷散热系统和液冷散热系统,进行了散热器结构与冷板流道优化设计。针对风冷散热系统,以连续高功率微波无线传能发射天线为例,对其风冷散热系统进行了分析、仿真与实物研制,得到了满意的实验结果;针对液冷散热,结合模块级联设计,进行了冷板级联散热仿真与实验测试,效果良好。以上风冷与液冷实验验证了本文建立的机电耦合设计方法的有效性。