陳福林

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

某彈載毫米波功率放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳福林

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，雷達、通訊、電子對抗等電子設(shè)備的整機功率越來越高，體積要求越來越小，因而電子設(shè)備的小型化設(shè)計和熱設(shè)計就顯得越來越重要。彈載設(shè)備的使用環(huán)境迥異于機載和地面，對其外形、體積、重量和質(zhì)心都有嚴格的要求。毫米波功率器件是無封裝的裸芯片，如何對其進行有效防護，是提高設(shè)備壽命和可靠性的關(guān)鍵。文中從質(zhì)量、質(zhì)心設(shè)計及防護設(shè)計等方面，介紹了一種彈載毫米波功率放大器的實現(xiàn)過程。

毫米波功率放大器；熱設(shè)計；小型化；質(zhì)心；防護設(shè)計

引 言

毫米波因其自身頻段和波長的特點，具有抗干擾能力強、衰減低、穿透云層和戰(zhàn)場煙霧能力較強及能在惡劣環(huán)境中工作等諸多優(yōu)點。近年來，世界主要發(fā)達國家都將其作為軍事電子技術(shù)發(fā)展的主要頻段，廣泛應(yīng)用于導彈精確制導、雷達技術(shù)和電子對抗等技術(shù)領(lǐng)域。彈載毫米波功率放大器作為末制導技術(shù)導彈的一個重要單元，其設(shè)計成功與否是影響整彈成功與否的關(guān)鍵。由于受彈體空間、導彈所處環(huán)境、導彈重量和質(zhì)心的限制，彈載毫米波功率放大器往往需設(shè)計成異形結(jié)構(gòu)。面對諸多限制因素，如何設(shè)計出滿足要求的產(chǎn)品，是結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的巨大難題。

針對以上由諸多限制因素造成的結(jié)構(gòu)設(shè)計難題，文中介紹了一種彈載毫米波的結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展了詳細的小型化設(shè)計、熱設(shè)計和防護設(shè)計等。其功能是將信號放大到所需的電平值，其難點在于要求使用壽命長，功耗大，尺寸小，質(zhì)量、質(zhì)心要求高。

1 毫米波功率放大器主要技術(shù)指標

毫米波功率放大器的主要技術(shù)指標包括使用壽命15年；飽和輸出功率Psat≥ 6 W(常溫滿功率)，60 ℃條件下輸出功率不小于5 W；總功耗≤ 60 W；工作溫度范圍-40 ℃～+70 ℃；可靠連續(xù)工作時間不小于50 s；重量(425±5)g；質(zhì)心Xc為(34±0.1)mm，Yc為(0±0.1)mm，Zc為(12.2±0.1)mm。功率放大器的外形尺寸、安裝接口及坐標定義如圖1所示。

圖1 功率放大器的外形尺寸、安裝接口及坐標定義

2 小型化設(shè)計

從上述主要技術(shù)指標可以看出，該功率放大器的體積、重量和質(zhì)心要求頗高，特別是受外形的限制，在規(guī)定的尺寸范圍內(nèi)要實現(xiàn)功率放大器自身的功能，還得兼顧質(zhì)量、質(zhì)心的要求，此時小型化設(shè)計就顯得尤為重要。為滿足功能要求，在保證彈載使用環(huán)境的前提下，結(jié)合功率放大器自身的特點，最終將其分為射頻和低頻2個功能區(qū)。功能分區(qū)及內(nèi)部電氣互聯(lián)如圖2所示。

圖2 功率放大器功能分區(qū)及內(nèi)部電氣互聯(lián)

采用上述分區(qū)的特點，既能滿足功率放大器的功能，又能實現(xiàn)射頻和低頻功能區(qū)的隔離；既能充分利用空間，又使結(jié)構(gòu)緊湊、合理，從而實現(xiàn)功率放大器的小型化設(shè)計。

3 質(zhì)量、質(zhì)心設(shè)計

根據(jù)特定的尺寸、重量要求和功能分區(qū)，模塊主體為左右對稱結(jié)構(gòu)。為滿足熱設(shè)計和后續(xù)焊接工藝的要求，除PCB板的蓋板為鋁外，其余材料選擇銅。為實現(xiàn)其功能，給出低頻板的尺寸39.5 mm × 31 mm × 1 mm(長 × 寬 × 厚)，其上的器件按對稱排布的原則進行布局，射頻部分2個大功率芯片對稱布局，其余器件(如低頻板上的貼片電阻等)和J63A導線的重量只有零點幾克甚至更輕，對質(zhì)量、質(zhì)心的影響太小，設(shè)計時可忽略不計。通過中心計算公式G×L=G1×L1+G2×L2+…+Gn×Ln(G為重量，L為重心位置)，可計算出重心位置L。同時在UG軟件中，為各個零件、器件及緊固件附上相應(yīng)的密度屬性，可以通過軟件自動分析得出質(zhì)量、質(zhì)心位置。對比分析表明，兩者結(jié)果均滿足指標要求。

為調(diào)節(jié)設(shè)計理論值和實際值存在的偏差以及滿足功率放大器外形設(shè)計的要求，在功率放大器外面增加了1塊質(zhì)量、質(zhì)心調(diào)節(jié)及共形蓋板，如圖3所示。該蓋板內(nèi)部根據(jù)質(zhì)量和質(zhì)心的要求預(yù)先銑出減重和質(zhì)心調(diào)節(jié)腔體，外形按功率放大器技術(shù)指標的要求設(shè)計成與功率放大器共形的曲面，從而滿足功率放大器的質(zhì)量、質(zhì)心和外形的指標要求。

圖3 質(zhì)量、質(zhì)心調(diào)節(jié)及共形蓋板

4 熱設(shè)計

隨著電子設(shè)備朝著超小型化方向的發(fā)展，高密度的集成使得設(shè)備功耗過大，高溫誘發(fā)的電失效、腐蝕失效往往會大大縮短元器件的使用壽命。為提高設(shè)備的可靠性，熱設(shè)計是整個設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

該功率放大器的功耗也是設(shè)計的重點，尤其是在這么小的體積內(nèi)，功率器件的散熱方式和途徑是決定功率放大器方案成功與否的關(guān)鍵。由于該設(shè)備為彈上設(shè)備，不能通過風冷來實現(xiàn)散熱，外部安裝平臺也沒有搭載液冷源，采用傳導的方式散熱成為唯一的選擇?？紤]到該模塊的大功率器件都分布在射頻區(qū)域，結(jié)合毫米波器件的特點，設(shè)計時將大功率器件直接焊接在厚度為8 mm的材料為銅鍍金的功率放大器下腔上。這樣，一方面減小了接觸熱阻，另一方面又為功率器件提供了一個相對大的熱沉，從而有利于增強熱傳導，快速地將熱量傳遞到功率放大器下腔上，再通過下腔將熱量傳遞給安裝平臺。

為了進一步對其進行熱設(shè)計，還對其進行了熱設(shè)計仿真。按要求在+70 ℃環(huán)境下對滿功耗、50 s內(nèi)狀態(tài)進行了瞬態(tài)熱分析，得出了50 s時芯片安裝面的溫度。整個功率放大器置于彈體內(nèi)，其熱耗器件及安裝計算模型如圖4所示。

圖4 熱耗器件及安裝計算模型

計算模型按CAD模型建模,計算包括了相應(yīng)的芯片，但沒有考慮安裝平臺的熱耗。按要求設(shè)定了計算邊界條件，全部計算穩(wěn)態(tài)結(jié)果，計算考慮了各模塊與壁面間的輻射。環(huán)境溫度為+70 ℃，50 s時的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 內(nèi)部芯片50 s時的表面溫度分布云圖及芯片安裝面溫度隨時間變化曲線

由此可知，采用這種結(jié)構(gòu)方案的功率放大器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，還能滿足功率器件的散熱設(shè)計要求。

5 防護設(shè)計

眾所周知，毫米波模塊的射頻電路部分微波腔體內(nèi)的電路都是由微帶片和微波器件組成的，而微波器件又是一個沒有封裝的裸芯片，未封裝的裸芯片長期暴露在空氣中會造成器件氧化、腐蝕等一系列問題，從而導致器件功能下降和失效。一方面，要求設(shè)備壽命長，而另一方面，裸芯片又極易被腐蝕而失效。因此如何對沒有封裝的裸芯片進行防護，是決定該功率放大器是否滿足15年工作壽命要求的關(guān)鍵。

5.1 防護方法

目前對毫米波裸芯片的防護通常采用的方法有Parylene涂層和密封等。結(jié)合功率放大器射頻和低頻板之間還需滿足電磁屏蔽和Parylene涂覆后不易去除的特點，該功率放大器裸芯片防護采用密封設(shè)計的方法。

密封的方式分為用橡膠密封圈密封和焊接密封。橡膠圈密封的優(yōu)點是拆卸方便、維修性好，缺點是易老化；焊接密封的優(yōu)點是可長期可靠使用，缺點是維修性差。由于存在設(shè)備體積和使用壽命的限制，對該設(shè)備采用了焊接密封的方式。結(jié)合設(shè)備的使用環(huán)境、材料，為了盡可能提高其維修性，對其采用了錫焊密封。

5.2 射頻電路的密封

對射頻電路部分，首先通過螺裝蓋板完成電磁屏蔽，然后再焊接蓋板實現(xiàn)密封。為了實現(xiàn)較為良好的錫焊，將封蓋內(nèi)縮1 mm，焊接時在封蓋與下沉腔體之間的縫隙處填塞低溫焊料(如銦錫焊料)進行階梯焊接。此外，為了防止焊料流入射頻腔內(nèi)，在射頻腔與封蓋腔之間加工1個1 mm的沉錫槽。射頻電路的密封如圖6所示。

圖6 射頻電路封焊

5.3 波導口的密封

射頻輸入、輸出為標準的GB320波導口，波導口直接通向射頻腔，傳統(tǒng)的波導—微帶過渡均為開放性結(jié)構(gòu)，難以滿足密封的需要。將密封性的同軸傳輸線(波珠)作為中間過渡，可有效實現(xiàn)波導與微帶電路之間的隔離。由于波導口的尺寸有限，將其設(shè)計成封閉的結(jié)構(gòu)形式無法實現(xiàn)波珠的焊接。為了提高波珠的焊接工藝性，對輸入、輸出口的波導上腔進行單獨加工，波珠連接后再通過螺釘緊固形成完整的波導口。波導口的密封及設(shè)計如圖7所示。

圖7 波導口的密封設(shè)計

5.4 低頻電路板的防護

對低頻板，采用噴三防漆的方式進行防護。這是航空航天領(lǐng)域內(nèi)最常見的和成熟的工藝方法，在多個型號上已得到充分驗證，滿足設(shè)計要求。

6 測量及驗證

為了驗證本文所提出的散熱和防護設(shè)計的正確性和合理性，對該功率放大器進行了惰性氣體檢漏試驗、高低溫試驗和濕熱等試驗，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。采用型號為PGE8的質(zhì)量質(zhì)心測試儀，對每件功率放大器的質(zhì)量、質(zhì)心進行了測量，質(zhì)量都在422 ～ 426 g的區(qū)間范圍內(nèi)，質(zhì)心Xc為33.95 ～ 34.08 mm，Yc為-0.02 ～ +0.0 8 mm，Zc為12.13～12.29 mm，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)束語

該功率放大器經(jīng)過小型化共形結(jié)構(gòu)設(shè)計，完全滿足技術(shù)指標要求。通過結(jié)構(gòu)的共形蓋板來調(diào)節(jié)功率放大器的質(zhì)量和質(zhì)心，使功率放大器成為一個整體，不需后續(xù)增減任何配重塊來調(diào)節(jié)質(zhì)量和質(zhì)心，從而使其結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，設(shè)備可靠性大大提高。該功率放大器順利通過了振動、沖擊、電磁兼容、低氣壓和高低溫等一系列環(huán)境試驗，在某彈載末制導上使用效果良好，滿足彈載設(shè)備的使用要求。

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陳福林(1974-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Structure Design of a Missile-borne MMW Amplifier

CHEN Fu-lin

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

With the fast development of electronics technology, it is required that the system power of the electronic equipment such as the radar, telecommunication and ECM is higher and higher and the volume is smaller and smaller. Thus miniaturization design and thermal design of the electronic equipment become more and more important. The operation environment of the missile-borne equipment is different much from that of the airborne equipment and ground-borne equipment. More strict requirements of shape, volume and mass centre are necessary in missile-borne equipment. The protection design of the naked MMW chips is one of the key factors in endurance and reliability of the equipment. A missile-borne MMW power amplifier is introduced in this paper from the mass, mass centre and protection design.

MMW power amplifier; thermal design; miniaturization; mass center; protection design

2014-12-03

TN722.7+5

A

1008-5300(2015)02-0029-04