車(chē)載式全固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)*

李雪光，李新勝

(1. 太原衛(wèi)星發(fā)射中心， 山西 太原030027； 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所， 河南 鄭州 450047)

車(chē)載式全固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)*

李雪光1，李新勝2

(1. 太原衛(wèi)星發(fā)射中心， 山西 太原030027； 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所， 河南 鄭州 450047)

全固態(tài)發(fā)射機(jī)功耗大、產(chǎn)生的熱量高，安裝于方艙內(nèi)時(shí)因空間狹小、設(shè)備密集導(dǎo)致各組件和機(jī)柜溫度不均勻、冷卻效果差。文中通過(guò)對(duì)功率放大單元總功耗的核算，采取功放模塊和穩(wěn)壓電源模塊的散熱器上下并排安裝、風(fēng)道共用的由前至后、左右雙風(fēng)機(jī)抽風(fēng)的風(fēng)冷散熱方式，設(shè)計(jì)了末級(jí)高功放的微波功率管和開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管等發(fā)熱器件直接鑲嵌在經(jīng)過(guò)銑槽拋光的鋁質(zhì)散熱器內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)果的核算，驗(yàn)證了該熱設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)于高密度固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐具有借鑒意義。

微波功率管；末級(jí)高功放；熱設(shè)計(jì)

引 言

末級(jí)高功放組件是固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心模塊，也是熱源相對(duì)集中、熱量主要產(chǎn)生之處。一臺(tái)固態(tài)發(fā)射機(jī)由多個(gè)末級(jí)功放組件組成。組件內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)微波功率管工作時(shí)熱耗很大，散熱不當(dāng)會(huì)引起電路參數(shù)性能下降甚至燒毀[1]。為保證發(fā)射機(jī)可靠工作，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，即根據(jù)組件熱流密度，選擇風(fēng)冷、液冷、溫差電制冷等適用的冷卻方式進(jìn)行溫度控制。

本文以車(chē)載式全固態(tài)發(fā)射機(jī)為例進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。根據(jù)總體方案及小型化要求，固態(tài)發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，即通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局使空氣從前向后流過(guò)熱源表面，帶走發(fā)熱器件的熱量，使功放模塊表面溫度不超過(guò)額定允許溫度，從而保證發(fā)射機(jī)正常工作。

1 固態(tài)發(fā)射機(jī)組成

1.1 總功耗核算

風(fēng)冷裝置的散熱量等于設(shè)備的發(fā)熱量，而設(shè)備的發(fā)熱量取決于它的總功耗，在最壞的情況下兩者相等。因此，對(duì)設(shè)備的功耗進(jìn)行如下核算。

由160 W末級(jí)高功放模塊方案可知，其功耗主要來(lái)自于4個(gè)末級(jí)功放管、2個(gè)預(yù)放推動(dòng)級(jí)功放管和其他輔助電路等。資料表明，單個(gè)末級(jí)功放管的最大功耗典型值為150 W，預(yù)放推動(dòng)級(jí)的總功耗約為200 W，其他輔助電路功耗按20 W計(jì)，則單個(gè)末級(jí)高功放模塊的功耗可估算為

P1=150×4+200+20=820 W

發(fā)射機(jī)中發(fā)熱最高處就是末級(jí)高功放模塊。末級(jí)高功放模塊安裝在功率放大單元內(nèi)(獨(dú)立插箱，見(jiàn)圖1)，功率放大單元的功耗主要包括末級(jí)高功放模塊、穩(wěn)壓電源和風(fēng)冷裝置的功耗。穩(wěn)壓電源的功耗主要取決于它的效率，風(fēng)冷裝置的功耗主要來(lái)自2臺(tái)風(fēng)扇。穩(wěn)壓電源采用開(kāi)關(guān)電源，效率可按80%計(jì)，每個(gè)風(fēng)扇的功耗為21W，于是，可以算出單個(gè)功率放大單元的功耗約為

P2=820/80%+21×2=1 067 W

一臺(tái)固態(tài)發(fā)射機(jī)包括6個(gè)功率放大單元、1個(gè)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元及供電控制電路等，驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元的功耗約為150W，供電控制電路及其他部分的功耗按50W計(jì)，則單臺(tái)固態(tài)發(fā)射機(jī)的功耗可估算為

P3=1 067×6+150+50=6 602 W

整體發(fā)射系統(tǒng)為熱備份工作方式，包括2臺(tái)固態(tài)發(fā)射機(jī)和小信號(hào)分機(jī)、切換控制單元、串口服務(wù)器、功率計(jì)及供電控制電路等，小信號(hào)分機(jī)、切換控制單元的功耗各為100W，其他部分的功耗按100W計(jì)，則發(fā)射系統(tǒng)的功耗可估算為

P4=6 602×2+300=13 504 W

考慮到設(shè)計(jì)余量，整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的總功耗為14kW。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)機(jī)動(dòng)工作的特點(diǎn)及操作使用的便利性，并充分考慮整機(jī)的通風(fēng)散熱要求，確定整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成形式如圖1所示。為保證良好的散熱性能，所有模塊均采用插箱式水平安裝，末級(jí)高功放組件、預(yù)放推動(dòng)級(jí)和穩(wěn)壓電源的發(fā)熱表面安裝散熱器，氣流從前往后流過(guò)發(fā)熱部件表面，通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對(duì)流將熱量帶走。同時(shí)，機(jī)柜頂部安裝輔助風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，底部轉(zhuǎn)接板處開(kāi)出一定面積的通風(fēng)孔形成風(fēng)路。

圖1 固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)整機(jī)示意圖

固態(tài)發(fā)射機(jī)安裝于方艙中，方艙內(nèi)溫度通過(guò)空調(diào)調(diào)控在(23±5) ℃。機(jī)柜空氣入口溫度為環(huán)境溫度，由于艙內(nèi)空間狹小，電子設(shè)備密集，計(jì)算時(shí)假定空氣入口溫度為30 ℃。

2 熱平衡核算

2.1 系統(tǒng)所需風(fēng)量

風(fēng)冷裝置分布到各個(gè)功率放大單元內(nèi)，風(fēng)量估算以功率放大單元為準(zhǔn)?？紤]到設(shè)計(jì)余量，單個(gè)功率放大單元的功耗按1.2kW計(jì)，考慮最壞情況，功率放大單元每小時(shí)產(chǎn)生的熱量約為

Q0=1.2 kW·h=1.2×859.845=1 031.814 kcal

冷卻空氣最高允許溫升按15 ℃計(jì)，散去上述熱量所需空氣的質(zhì)量數(shù)為

M0=Q0/(ΔT·CP)=1 031.814/(15×0.237)=

290.243 kg

式中，CP=0.237 cal/(g·℃)，是0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)的空氣比熱值。與該質(zhì)量數(shù)對(duì)應(yīng)的體積數(shù)為

V0=M0/ρ0=290.243/1.293=224.473 m3

式中，ρ0=1.293 g/l，是0 ℃、一個(gè)大氣壓下無(wú)二氧化碳空氣的密度值。若冷卻空氣的工作溫度平均按52.5 ℃計(jì)，則對(duì)應(yīng)的體積數(shù)修正為

V= (1+Tβ)V0=(1+52.5×0.003 671)×

224.473=267.735 m3

式中，β=0.003 671 ℃-1，是0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)、一個(gè)大氣壓下空氣的體積膨脹系數(shù)。由此可以算出，對(duì)功耗1.2 kW的設(shè)備進(jìn)行風(fēng)冷散熱，所需冷卻風(fēng)量約為

F0=V/t=267.735 m3/h=4.462 m3/min

考慮到設(shè)計(jì)余量，取風(fēng)冷裝置的冷卻風(fēng)量指標(biāo)為270m3/h(4.5m3/min)，確保能夠滿足設(shè)備的散熱要求。

2.2 散熱器工作溫度估算

風(fēng)冷裝置所要散發(fā)的熱量主要來(lái)自于功率放大模塊，其中最主要的發(fā)熱器件是末級(jí)功放管。因此，風(fēng)冷裝置的設(shè)計(jì)主要針對(duì)功率放大模塊的末級(jí)功放管進(jìn)行。尤其是散熱器的工作溫度，必須依據(jù)末級(jí)功放管的特性參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。

末級(jí)功放管選用日本東芝公司生產(chǎn)的TIM5359-60SL型GaAs-FET微波功率管，其典型電氣參數(shù)如圖2所示。

圖2 發(fā)射機(jī)用微波功率管典型電氣參數(shù)

由末級(jí)功放管的典型電氣參數(shù)可知，單個(gè)末級(jí)功放管需要耗散的熱量所對(duì)應(yīng)的功率：

PD=VDS×IDS+Pin-Pout=76.85 W

考慮最壞情況，當(dāng)沒(méi)有射頻輸入輸出時(shí)，所有功耗全部為熱耗，因此，取耗散功率：

PD,0=VDS×IDS=132 W

末級(jí)功放管的管殼溫度與耗散功率的關(guān)系為

PT=-187 /150×Tc+1 309/6

所以，當(dāng)耗散功率PT=PD,0=132 W時(shí)，所對(duì)應(yīng)的殼溫Tc=69.12 ℃?？紤]到設(shè)計(jì)余量，取Tc=68 ℃。

TIM5359-60SL型微波功率管的外型及安裝尺寸如圖3所示。微波功率管最大管殼接觸傳熱面積為

S=16.4×17.4=285.36 mm2=2.853 6×10-4m2

圖3 發(fā)射機(jī)用微波功率管典型結(jié)構(gòu)外形參數(shù)

已知管殼為銅材，散熱器為鋁材，銅鋁接觸傳熱系數(shù)為[2]

K=2×105W/(m2·℃)

于是，從管殼到散熱器之間的接觸熱阻為

Rc=1/KS=1.752×10-2℃/W

可以算出管殼到散熱器的溫降為

ΔT=PT×Rc=2.3 ℃

至此，可以求出散熱器的工作溫度為

T=Tc-ΔT=65.7 ℃

同樣，考慮到設(shè)計(jì)余量，取T=65 ℃。

當(dāng)散熱器的工作溫度為65 ℃時(shí)，管殼溫度最高67.3 ℃，對(duì)應(yīng)的耗散功率PT=134.266 W>PD,0=132 W，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 散熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)散熱器工作溫度估算結(jié)果，匯集散熱器設(shè)計(jì)條件及有關(guān)參數(shù)[2]于表1。

表1 散熱器設(shè)計(jì)條件及參數(shù)

末級(jí)高功放組件熱量相對(duì)集中，對(duì)其進(jìn)行良好散熱是固態(tài)發(fā)射機(jī)正常工作的關(guān)鍵。初次設(shè)計(jì)為積木搭接式：末級(jí)高功放組件及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的殼體均采用鋁合金盒體，微波功率管、電源調(diào)整管的熱量傳導(dǎo)至盒體表面，2個(gè)盒體分別固定于鋁質(zhì)散熱器的上、下面。本系統(tǒng)選用“中空”式肋片的散熱器[3]。

根據(jù)需要的散熱量和插箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝要求，確定散熱器的外形尺寸不超過(guò)450 mm×420 mm×100 mm。具體參數(shù)定義及外形見(jiàn)圖4，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 風(fēng)冷裝置散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)定義及外形

表2 鋁質(zhì)散熱器設(shè)計(jì)結(jié)果

相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果核算[3]見(jiàn)表3。

從設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果核算看，所選的鋁質(zhì)散熱器完全滿足散熱要求。但還存在結(jié)構(gòu)尺寸和熱阻影響兩個(gè)問(wèn)題。

(1)結(jié)構(gòu)尺寸

積木搭接式功率放大單元的散熱器有效高度H=90 mm，末級(jí)高功放組件及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的鋁合金盒體高度各為30 mm，則凈高90+60=150 mm。根據(jù)插箱內(nèi)部安裝的結(jié)構(gòu)要求，插箱上下蓋板距積木式組件應(yīng)各留有30～35 mm的空隙，以利于插箱內(nèi)上下風(fēng)路的暢通(見(jiàn)圖5)。

表3 散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果核算

圖5 5U功率放大單元積木塔接結(jié)構(gòu)布局示意圖

則功率放大單元的高度為

150 mm+2×(30～35) mm=210～220 mm

相當(dāng)于5U(222mm)。由圖1可見(jiàn)，一臺(tái)發(fā)射機(jī)有6個(gè)功率放大單元(5U)，1個(gè)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元(4U)和1個(gè)轉(zhuǎn)接板(3U)，機(jī)柜邊框高度上下各30mm，則：

根據(jù)綠色GDP理念的特點(diǎn)，所謂綠色GDP就是要在現(xiàn)行的國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系下，扣除自然虛數(shù)，同時(shí)增加由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)而形成的GDP收入。自然虛數(shù)即對(duì)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所造成的自然環(huán)境破壞的量化結(jié)果，其中應(yīng)該包括：環(huán)境污染造成的環(huán)境質(zhì)量的下降、自然資源的退化、長(zhǎng)期生態(tài)退化所造成的損失、自然災(zāi)害所引起的經(jīng)濟(jì)損失、資源稀缺性所引發(fā)的成本等。

6×5U+4U+3U+2×30 mm=

37U+60 mm=1 703 mm

方艙結(jié)構(gòu)外形高為2 000mm，艙壁厚50mm，減震器高50mm，則艙內(nèi)余留凈高為

2 000-2×50-50-1 703=147 mm

在艙門(mén)高僅為1 700mm、艙內(nèi)余留凈高為147mm的情況下，總高1 703mm的機(jī)柜裝入方艙幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。因此，在散熱器尺寸不可變的前提下，必須盡可能減小末級(jí)高功放組件及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的鋁合金盒體，以使功率放大單元減至4U以下，則機(jī)柜總高為

6×4U+4U+3U+2×30 mm=

31U+60 mm=1 436 mm

則艙內(nèi)余留凈高為

2 000-2×50-50-1 436=414 mm

(2)熱阻影響

雖然功率放大單元中的末級(jí)高功放組件及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的鋁合金盒體以較大的接觸面積(300mm×300mm)與散熱器固定，并且接觸面均進(jìn)行了拋光處理以降低“積木”間的熱阻影響，但也僅僅是多與少、大與小的區(qū)別。

基于這兩個(gè)問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：去掉2個(gè)獨(dú)立的末級(jí)高功放組件及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的鋁合金盒體，把末級(jí)高功放的微波功率管和開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管等發(fā)熱器件直接鑲嵌在經(jīng)過(guò)銑槽拋光的鋁質(zhì)散熱器內(nèi)，兩端只蓋上一個(gè)小于10mm的頂蓋即可(見(jiàn)圖6)。這時(shí)的高度為

90 mm+2×10 mm+2×(30～35) mm =170～180 mm

符合4U(177.6mm)高度要求。這樣既實(shí)現(xiàn)了發(fā)射系統(tǒng)裝艙的目的，又大大降低了熱阻而且提高了熱傳導(dǎo)效率，使固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)方案達(dá)到統(tǒng)一。

2.4 風(fēng)冷裝置結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)功率放大單元的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)，風(fēng)冷裝置采用從前到后冷卻、左右雙風(fēng)機(jī)抽風(fēng)散熱方式，功放模塊和穩(wěn)壓電源模塊的散熱器上下并排安裝，風(fēng)道共用，進(jìn)風(fēng)口加裝濾塵器和防護(hù)網(wǎng)，出風(fēng)口只加防護(hù)網(wǎng)。整個(gè)風(fēng)冷裝置的方案及結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6 4U功率放大單元嵌入式結(jié)構(gòu)布局示意圖

3 工程驗(yàn)證

由設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)果核算可知，末級(jí)功放組件是固態(tài)發(fā)射機(jī)工作時(shí)表面溫度最高的模塊，當(dāng)散熱器的工作溫度為65 ℃時(shí)，微波功率管的殼溫最高僅67.3 ℃，低于功率管的工作溫度典型值70 ℃，也低于設(shè)計(jì)余量68 ℃，所以此種布局能夠保證微波功率管正常工作。實(shí)際工程運(yùn)用中，在方艙內(nèi)環(huán)境溫度(23±5) ℃的條件下，實(shí)際監(jiān)測(cè)微波功率管的工作溫度為46 ℃～48 ℃；炎熱夏季方艙內(nèi)溫度最高33 ℃時(shí)，微波功率管的工作溫度為54 ℃～58 ℃。該設(shè)計(jì)的固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作至今沒(méi)有因模塊過(guò)熱而引起可靠性問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)冷裝置的性能直接關(guān)系到設(shè)備的性能和壽命，而且還直接關(guān)系到操作人員的工作環(huán)境乃至身體健康[4]。通過(guò)車(chē)載式全固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)，可得出以下結(jié)論：在方艙內(nèi)溫度低于33 ℃、相對(duì)濕度低于98%的情況下，該車(chē)載式全固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)可正常工作。當(dāng)強(qiáng)迫風(fēng)冷不能滿足固態(tài)發(fā)射機(jī)散熱要求時(shí)，須考慮采用水冷或液冷等其他冷卻方式。

[1] 周萬(wàn)幸. 艦載雷達(dá)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2007, 29(9): 1-4.

[2] 張潤(rùn)逵, 戚仁欣, 張樹(shù)雄. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(上冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] 平麗浩, 黃普慶, 張潤(rùn)逵. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(下冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 郁圣杰, 李維忠. 熱設(shè)計(jì)在車(chē)載固態(tài)發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2010, 30(1): 53-56.

李雪光(1958-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘袌?chǎng)測(cè)控試驗(yàn)裝備及總體技術(shù)。

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Structure and Thermal Design for Onboard All-solid-state Transmitter

LI Xue-guang1，LI Xin-sheng2

(1.TaiyuanSatelliteLaunchingCenter，Taiyuan030027,China; 2.The27thResearchInstituteofCETC,Zhengzhou450047,China)

All-solid-state transmitter has high power consumption and produces large quantity of heat. When the transmitter is installed with many components in a small cabin, the temperatures of components and cabin are not uniformly distributed and the cooling effect is poor. In this paper, after the total power consumption of power amplifier module is calculated, the air cooling approach that the radiators of power amplifier module and regulator power supply module are fixed side by side (up and down) with a common wind path and two pumps (left and right) extract air from the foreside to the rearward are adopted. The heat emitting parts such as microwave power tube of end level high power amplifier and regulator tube of switching power supply are designed to be directly embedded in aluminum radiator polished in milling flutes. After calculation checking, the thermal design is verified to be reasonable and has reference value for the system design of the structure of high density solid-state transmitter and for engineering practice.

microwave power tube; end level high power amplifier; thermal design

2013-08-19

TN83;TK124

A

1008-5300(2013)05-0008-05