齊鳳梅， 王 皓， 江 雷

(92941部隊44分隊， 遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

電子器件功率的增大和集成度的提高， 必然導(dǎo)致高熱流密度器件的出現(xiàn)， 例如行波管、 微波功率放大器、 電源控制器等[1-2]. 微波功率放大器具有集成度高、 結(jié)構(gòu)緊湊、 可靠性高、 噪聲低和線性好等優(yōu)點， 在雷達(dá)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用. 微波功率放大器在大功率下工作， 其所消耗的電能中大部分被轉(zhuǎn)換成熱能向周圍擴散， 使器件本身和周圍其他元器件處在高溫狀態(tài)下工作. 而高溫使元器件電性能惡化， 引起失效， 導(dǎo)致設(shè)備可靠性下降.

溫度和故障率的關(guān)系[3]可以用F=Ae-E/K·T來表示. 其中，F(xiàn)為故障率；Ae為常數(shù)；E為功率；K為玻爾茲曼常量；T為結(jié)點溫度. 可見， 合理的熱設(shè)計是微波功率放大器可靠性成敗的關(guān)鍵， 因此對測量雷達(dá)發(fā)射功放模塊的熱設(shè)計進(jìn)行研究.

1 熱設(shè)計方案

1.1 冷卻方式的選擇[4-7]

連續(xù)波測量雷達(dá)是靶場的重要測控裝備， 在海岸機動布站使用. 發(fā)射天線陣面上， 發(fā)射功放模塊是主要的發(fā)熱源， 根據(jù)使用環(huán)境要求， 確保天線的穩(wěn)定正常工作， 必須進(jìn)行合理的散熱設(shè)計.

常用的冷卻方式主要有自然風(fēng)冷、 強迫風(fēng)冷和強迫液冷3大類. 自然風(fēng)冷是最理想的冷卻方式， 無需其他輔助設(shè)備， 但其冷卻能力較低， 適合熱流密度較低的場合. 一般情況下， 在熱流密度小于0.4 W/cm2時， 可采用強迫風(fēng)冷. 液體冷卻系統(tǒng)相對復(fù)雜， 設(shè)備量大， 成本高， 但其承受的熱流密度大， 散熱效率高， 熱負(fù)載溫度梯度小， 適合熱流密度較高的場合.

根據(jù)連續(xù)波雷達(dá)的研制經(jīng)驗， 發(fā)射功放模塊采用強迫風(fēng)冷能滿足散熱要求. 但考慮強迫風(fēng)冷可能對接收系統(tǒng)的影響， 以及海邊特殊工作環(huán)境對風(fēng)冷設(shè)備的限制， 從提高散熱系統(tǒng)的可靠性出發(fā)， 確定發(fā)射天線散熱系統(tǒng)采用自然對流散熱. 采用傳熱熱阻低的熱管導(dǎo)熱方法， 把發(fā)射模塊熱源的熱量快速、 均勻地傳遞到整個散熱器片上， 并相應(yīng)增大外露的散熱器的面積， 滿足沿海環(huán)境條件下的散熱要求.

1.2 熱管散熱方案

為了有效增大散熱面積和減少陣面布線， 將4個發(fā)射功放模塊構(gòu)成一個組件， 共用一個散熱器. 如圖 1 所示. 發(fā)射模塊下部埋設(shè)熱管， 將熱量均勻傳遞到整個散熱器上.

圖 1 發(fā)射功放組件布局Fig.1 The layout diagram of the emission power amplifier component

1.2.1 功放管熱設(shè)計

發(fā)射模塊采用兩級放大， 分別采用XP001和SFX005放大器. 其中XP001為帶封裝的MMIC放大器， SFX005為內(nèi)匹配GaAsFET管.

1) XP001為微波功率MMIC放大器， 在25 ℃的典型參數(shù)為：最大輸入功率為17 dBm； 最大工作電壓VDS為8 V； 最大工作電流IDS為0.65 A； 功率附加效率η為20%； 熱阻Rθ為3.5 ℃/W； 最高溝道溫度TDS為+160 ℃.

溝道溫升

ΔT=VDS×IDS×(1-η)×Rθ.

(1)

計算得ΔT為14.6 ℃， 則殼體下面的表面溫度

T=TDS-ΔT.

(2)

計算得T為145.4 ℃， 為了留有一定的余量， 應(yīng)保證殼體下面的表面溫度不超過+90 ℃， 并采取散熱措施. XP001直接用螺釘安裝在模塊的金屬殼體上， 管殼和模塊殼體要密封接觸， 中間不得有氣墊， 并涂導(dǎo)電導(dǎo)熱薄膜以降低熱阻， 保證工作中殼底面的最高溫度不超過+90 ℃.

2) SFX005為內(nèi)匹配GaAsFET功率管， 在25 ℃的典型參數(shù)為： 最大工作電壓VDS為8 V； 最大工作電流IDS為2.0 A； 功率附加效率η為32%； 熱阻Rθ為4.0 ℃/W； 最高溝道溫度為+175 ℃. 根據(jù)式(1)計算， 得溝道溫升ΔT為43.5 ℃， 根據(jù)式(2)計算， 得殼體下面的表面溫度T不應(yīng)超過+131.5 ℃. 為了留有一定的余量， 則應(yīng)保證殼體下面的表面溫度不應(yīng)超過+90 ℃. SFX005的殼體也應(yīng)用螺釘直接固定在功放的殼體上， 二者應(yīng)緊密接觸不留氣墊， 并涂導(dǎo)電導(dǎo)熱薄膜.

綜上所述， 為了保證功放管能正常工作， 其溫度監(jiān)測點應(yīng)設(shè)在SFX005的正下方. 管殼表面溫度不超過+90 ℃， 對于2個有源器件都是滿足要求的， 同時要求電源供電電壓穩(wěn)定.

1.2.2 發(fā)射功放組件散熱設(shè)計

熱設(shè)計中功放模塊按20%工作效率考慮， 則組件上4個模塊發(fā)熱總功率為4×16=64 W. 4個模塊共用一個散熱器， 散熱器尺寸為320×320×45 mm3， 散熱器有41個散熱片， 排布間距7.8 mm， 因此有效散熱面積A約為1.28×106 mm2. 每個模塊下采用2根直徑8 mm熱管導(dǎo)熱. 這里計算中忽略熱管與散熱器片之間的熱阻.

換熱器的換熱方程[8]為

Φ=k·A·Δt,

(3)

式中：Φ為對流換熱量， 單位為W；k為換熱系數(shù)， 單位為W/m2·K；A為有效換熱面積， 單位為m2； Δt為流體流經(jīng)換熱器表面的溫差， 單位為K.

為留有余量， 取換熱系數(shù)為5 W/m2·K， 代入實際參數(shù)計算得到：在上述條件下工作， 散熱器與環(huán)境最大溫差為10 ℃.

由功放管熱計算可知， 模塊正常工作時功放管殼表面溫度應(yīng)不超過+90 ℃. 為保證發(fā)射陣面可靠工作， 在環(huán)境+55 ℃條件下， 假設(shè)散熱片與模塊殼體之間沒有熱阻， 則散熱片與模塊殼體溫度最高為+65 ℃. 因此管子與模塊殼體之間的熱阻帶來的溫升不應(yīng)超過25 ℃.

2 驗證試驗

首先制作一個功放模塊樣件， 模塊樣件各項性能指標(biāo)與工作模塊相同.

2.1 功放輸出功率和工作效率測試

測試條件：輸入功率+10 dBm， -9/+9 V供電. 測試結(jié)果見表 1.

表 1 輸出功率和工作效率測試結(jié)果

2.2 功放模塊散熱試驗

測試條件：室溫+27 ℃， 散熱片尺寸120×110×45 mm3， 工作頻率10.5 GHz， 輸入功率+10 dBm， 未開風(fēng)扇采用自然冷卻. 測試結(jié)果見表 2.

表 2 自然冷卻測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出， 工作1 h后模塊已經(jīng)達(dá)到熱平衡. 模塊殼體溫升比環(huán)境約高14 ℃， 功放末級管殼附加溫升約為10 ℃. 由此可以推算， 在最高環(huán)境溫度+55 ℃條件下， 管殼溫度約為+79 ℃， 低于管子安全工作+90 ℃的要求. 按照設(shè)計方案提出的將4個模塊做成組件后， 共用1個散熱片， 面積320×320 mm2， 散熱有效面積是單個模塊的7倍. 因此， 陣面在不開風(fēng)扇自然散熱的情況下工作可以滿足要求.

3 結(jié)束語

針對海岸使用測量雷達(dá)的特點， 發(fā)射天線熱設(shè)計采用自然對流散熱， 熱阻低的熱管導(dǎo)熱方法能將發(fā)射模塊熱源的熱量快速、 均勻地傳遞到整個散熱器上， 滿足沿海環(huán)境條件下的散熱要求. 根據(jù)熱控設(shè)計方案， 進(jìn)行了相應(yīng)的熱試驗. 試驗結(jié)果表明， 熱設(shè)計可以滿足雷達(dá)環(huán)境使用要求. 該測量雷達(dá)經(jīng)3年來的應(yīng)用， 工作穩(wěn)定可靠， 證明了雷達(dá)天線熱設(shè)計方案的可行性和正確性.

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