某頻段機載功率放大設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王彥斌

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

0 引言

隨著電子技術(shù)水平的迅速發(fā)展，伴隨著固體電路、超大規(guī)模集成電路的相繼出現(xiàn)，機載電子設(shè)備不斷向著高性能、高密度、小型化方向發(fā)展。

機載功率放大設(shè)備主要是實現(xiàn)接收、功率放大、接口控制和狀態(tài)檢測功能。該設(shè)備將多個獨立電子功能模塊進行多維優(yōu)化組合，從而使設(shè)備體積和重量得到顯著降低，但由此會帶來設(shè)備的散熱難度增加，設(shè)備的熱設(shè)計將成為模塊設(shè)計時的重點，同時該設(shè)備振動環(huán)境惡劣，設(shè)備的振動強度設(shè)計也需要重點關(guān)注。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該電子設(shè)備是獨立的LRU模塊，由安裝架、濾波器模塊、控制板和接口模塊、盒體及內(nèi)部功放單元等組成，連接螺釘均采用GB818和GB819系列的不銹鋼螺釘。該設(shè)備主體和安裝架之間采用導銷和前鎖緊裝置固定，能實現(xiàn)快速拆卸。設(shè)備采用專用高低頻電纜傳送模塊間高低頻電信號，其主要對外接口位于前面和左側(cè)面。

圖1 電子設(shè)備外形示意圖

該設(shè)備內(nèi)部組裝、檢修、更換、維護方便，其中濾波器模塊和控制板模塊各采用4顆M5螺釘固定，拆卸和維修方便。主要散熱器件均與結(jié)構(gòu)件直接接觸，其中功放單元特采用強迫風冷和均溫板設(shè)計，散熱效果良好。

2 設(shè)備熱設(shè)計

電子設(shè)備的熱設(shè)計是指對電子元件、組件以及整機的溫升控制。尤其是對高密度組裝的設(shè)備，更需注意其熱耗的排除。溫升控制的方法包含：自然冷卻、強迫風冷、強迫液冷、蒸發(fā)冷卻、溫差電致冷、熱管傳熱等各種形式［1］該電子設(shè)備的機載平臺要求設(shè)備自行解決散熱問題。依據(jù)設(shè)備內(nèi)部熱耗的情況，具體如表1所示，通過估算，自然散熱不能滿足該設(shè)備的散熱需求，需考慮采用強迫風冷的方式冷卻，設(shè)備自帶風扇提供風源。

從表1同時可以看出，該電子設(shè)備的主要散熱集中在2個功放芯片上（中放芯片和末放芯片），根據(jù)該設(shè)備的散熱特點，最終選擇了局部強迫風冷和自然散熱相結(jié)合的熱設(shè)計方式。由于設(shè)備尺寸限制和模塊熱耗特點，該電子設(shè)備選擇了一款體積小風力足的EBM風機。

該設(shè)備的熱設(shè)計主要集中在功放芯片散熱上，通過去掉安裝架及不必要的結(jié)構(gòu)簡化模型如圖2所示。

采用熱仿真軟件flotherm計算［2］，計算模型如圖 2所示，計算結(jié)果如圖 3～圖6。

由仿真分析可知，使用常規(guī)風冷散熱，難以解決設(shè)備內(nèi)部2個功放芯片散熱問題，由于擴散熱阻的存在，散熱器基板溫差最大可達100℃。如果使用均溫板（即毛細散熱腔VC板），則可降低基板溫差，提高散熱利用效率。按保守的均溫板導熱系數(shù)（1000W/（m·K））［3］，保守的最大熱流密度（100 W/cm2）進行仿真計算，其安裝面溫度可控制在 110～120℃左右，該設(shè)備的器件結(jié)溫/殼溫要求及計算結(jié)果對比如表 2所示，考慮到所設(shè)定均溫板的數(shù)值偏保守，通過表2可以看出，采用強迫風冷加均溫板的方案解決設(shè)備散熱問題是可行的。

表1 主要器件熱耗統(tǒng)計表

圖2 結(jié)構(gòu)簡化計算模型

3 設(shè)備振動強度及減重設(shè)計

由于設(shè)備裝機位置處環(huán)境條件要求嚴格，根據(jù)以往工程經(jīng)驗看，設(shè)備振動條件相對其它設(shè)備非常惡劣，再加上設(shè)備本身要求有很高的可靠性和耐久性，該設(shè)備傾向于選擇加裝隔振系統(tǒng)。

首先簡化設(shè)備模型、約束處理、網(wǎng)格劃分和設(shè)置材料參數(shù)，在不裝隔振系統(tǒng)情況下，對設(shè)備進行模態(tài)分析。得出1階模態(tài)：470.8 Hz、2階模態(tài)：702.Hz、3 階模態(tài)：875.6 Hz、4 階模態(tài)：1 043 Hz。通過模態(tài)分析可以看出，設(shè)備的1階和2階模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)件容易產(chǎn)生共振，對設(shè)備結(jié)構(gòu)件和內(nèi)部器件的結(jié)構(gòu)強度和剛度容易造成損壞［4］，這樣就更加論證了需要加隔振系統(tǒng)的方案。

圖3 風冷安裝基板溫度云圖

圖4 風冷安裝散熱片溫度云圖

圖5 加均溫板風冷基板溫度云圖

圖6 加均溫板風冷散熱片溫度云圖

表2 器件結(jié)溫/殼溫要求及計算結(jié)果對比

根據(jù)設(shè)備的振動條件定制了所需的隔振器，隔振器主要參數(shù)是：固有頻率為70Hz；最大共振放大率小于3；單只公稱載荷為 1.5 kg；隔振器單只重量為130 g。同時為滿足設(shè)備的裝機要求，還設(shè)計了設(shè)備安裝架，安裝架通過4個底部隔振器安裝于飛機平臺，而整機則通過安裝架后面的導銷，前面的鎖緊裝置固定在安裝架上，以實現(xiàn)快速拆卸，其整體結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)設(shè)計的隔振系統(tǒng)再次對安裝了隔振器的設(shè)備進行了模態(tài)分析，結(jié)果如表3和圖8所示。

從表3和4圖8可以看出，安裝減振器后，設(shè)備的前3階模態(tài)以減振器3個方向的平動振動為主，第4階模態(tài)以減振器的水平扭振為主，其它低階模態(tài)［5］主要集中在安裝架上。扭振的發(fā)生與設(shè)備重心位置及減振器的安裝位置密切相關(guān)，如果減小減振器的安裝平面位置與系統(tǒng)重心的相對尺寸，就可以避免扭振的發(fā)生。從仿真分析來看，該振動設(shè)計能夠滿足設(shè)備振動需求。

當然除了滿足振動設(shè)計以外，設(shè)備還需要滿足裝機重量要求。目前綜合考慮剛度-密度比、加工性和成本等多方面因素，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料主要采用5A06鋁。從整體看，該設(shè)備為LRU設(shè)備，設(shè)備采用安裝架固定方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須受到接插件、冷板和減振器裝配及安裝諸多特殊要求的限制，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計余量很小，該設(shè)備在滿足上述設(shè)計要求的前提下，盡量削減所有非重要承力部件（其中外部結(jié)構(gòu)強度和電磁屏蔽要求，預留2.5 mm左右薄板。設(shè)備內(nèi)部有3處需要考慮電磁屏蔽要求，隔板厚度暫設(shè)定為3 mm）。在此基礎(chǔ)上完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對設(shè)備進行了隨機振動響應分析，通過對設(shè)備內(nèi)部標準差位移和標準差加速度的對比分析，經(jīng)過幾次耦合設(shè)計，最終設(shè)計出一個既滿足振動設(shè)計又盡可能輕的電子設(shè)備。

表3 安裝減振器模態(tài)分析結(jié)果

圖8 安裝減振器機架結(jié)構(gòu)模態(tài)

4 結(jié)語

在機載電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，熱設(shè)計、振動強度及減重設(shè)計已成為設(shè)計的重點和難點，它們設(shè)計的好壞已成為產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵因素。本文闡述了一種機載功率放大設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對熱設(shè)計、振動強度和減重設(shè)計進行了重點闡述，通過多次改進設(shè)計并結(jié)合仿真分析和試驗驗證得到最后的設(shè)計參數(shù)，為同類的機載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

［1］ 呂永超，楊雙根.電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計及熱測試技術(shù)綜述及最新進展［J］.電子機械工程，2007，23（1）：5-10.

［2］ 李波，李科群.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應用［J］.電子機械工程，2008，24（3）:11-13.

［3］ 平麗浩，錢吉.電子裝備熱控新技術(shù)綜述（上）［J］.電子機械工程，2008，24（1）:1-10.

［4］ 邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：東南大學出版社，2005.

［5］ Rao S S.機械振動［M］.李欣業(yè)，張路明，譯.北京：清華大學出版社，2009.