考慮熱環(huán)境下某數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱設(shè)計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

數(shù)字陣列模塊(digital array module)是有源相控陣天線的主要模塊之一，隨著雷達功能需求和元器件技術(shù)的快速發(fā)展，其集成化和高熱耗的特征也日益明顯[1]，所以需要綜合考慮模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計。數(shù)字陣列模塊主要是由多個收發(fā)通道、數(shù)字收發(fā)板、時鐘等電子元器件和盒體等部件組成的一種多功能集成模塊[2]。由于天線陣面對數(shù)字陣列模塊的高度方向要求高，為了減小模塊的高度，對其內(nèi)部的元器件采用了平面排布的方式。

電子設(shè)備在一定的環(huán)境條件下進行工作，不可避免會受到環(huán)境溫度對其的影響，并且相關(guān)資料表明，高、低溫及其循環(huán)會對大多數(shù)電子元器件產(chǎn)生嚴重影響，甚至?xí)?dǎo)致電子元器件的失效[3]。對電子設(shè)備進行熱設(shè)計和分析，并進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是提高電子設(shè)備可靠性的重要措施之一，也是為了保證電子設(shè)備有效和可靠的工作[4]。

在此，根據(jù)數(shù)字陣列模塊的工作環(huán)境、電子元器件的分布、工作時間和模式等條件，對該模塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計，并進行迭代進而確定數(shù)值陣列模塊的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 數(shù)字陣列模塊設(shè)計

1.1 熱耗分布與溫度要求

進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計前，首先需要確定數(shù)字陣列模塊內(nèi)部功率器件分布情況，如圖1和圖2所示的是模塊內(nèi)部數(shù)字板元器件熱分布示意圖。

圖1 數(shù)字板元器件A面熱分布

圖2 數(shù)字板元器件B面熱分布

根據(jù)圖1和圖2所示的元器件分布情況，進行相應(yīng)的殼體設(shè)計，設(shè)計相應(yīng)的凸臺或凹槽，將元器件的熱量通過熱傳導(dǎo)方式把元器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到盒體上。根據(jù)相應(yīng)元器件廠家提供的各個元器件的熱耗和工作溫度要求，得出該數(shù)字板總的熱耗為80.7 W，具體參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)字板功率器件熱耗參數(shù)

1.2 熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計

將元器件的熱量通過凸臺等結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到盒體上，整個數(shù)字陣列模塊工作溫度能否滿足要求只取決于模塊盒體的熱量是否能及時散熱。綜合考慮器件的布局、模塊安裝方式和風(fēng)道布局等因素，對數(shù)字陣列模塊進行熱設(shè)計。設(shè)計方案是在安裝面上加裝散熱翅片，采用風(fēng)冷的冷卻方式進行散熱，具體方案如下所述。

a.風(fēng)機選型。

(1)

通過式(1)進行計算，需要通風(fēng)量大約310 m3/h，因此，采用2個中頻軸流風(fēng)機113FZJ60符合單個單機散熱需求。

b.冷板設(shè)計。冷板具有機械支撐和對流換熱的雙重作用，要求結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，均溫性好等特點[5]。根據(jù)安裝尺寸和散熱需求，對冷板的翅片厚度、間距、高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。散熱翅片的翅厚為2 mm，翅間距為8 mm，翅高為20 mm，總高度為23 mm。

c.風(fēng)機安裝位置。由于空間限制，采用風(fēng)機風(fēng)向與風(fēng)道垂直安裝。

d.板卡上凸臺與熱耗器件之間鋪導(dǎo)熱襯墊，冷板與DAM和二次電源的接觸面涂導(dǎo)熱硅脂，保持良好熱接觸。

根據(jù)上述要求，各模塊的結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示。

圖3 冷板

圖4 墊塊

圖5 數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)

2 熱仿真分析

根據(jù)前一節(jié)所確定的設(shè)計模型作為熱仿真分析模型，如圖6所示。由于數(shù)字陣列模塊要在地面測試以及跟隨平臺在高空中進行工作，工作環(huán)境條件是不相同的，所以對其進行熱仿真分2種工況進行分析。數(shù)字板的功率元器件采用一級降額設(shè)計，降額溫度要求如表2所示。

圖6 熱仿真模型表2 數(shù)字板功率器件溫度要求

℃

2.1 地面環(huán)境

數(shù)字陣列模塊在某地夏天地面相對密閉環(huán)境下進行電性能測試，空氣溫度為40 ℃，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 收發(fā)通道溫度分布

圖8 數(shù)字板功率器件溫度分布

圖7給出了收發(fā)通道溫度分布，可以看出收發(fā)通道功率器件溫度最高為52.7 ℃，滿足不高于65 ℃的指標要求。

圖8給出了數(shù)字板功率器件溫度分布，表2給出了各熱耗器件的最高殼溫，可以看出，數(shù)字板全部功率器件均滿足要求。

2.2 高空環(huán)境

數(shù)字陣列模塊工作在6 000 m高空環(huán)境，空氣溫度為0 ℃，密度比為0.54。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 收發(fā)通道溫度分布

圖10 數(shù)字板功率器件溫度分布

由圖9和圖10可知，可見最高溫度為46.7 ℃，全部功率器件均滿足要求。

3 結(jié)束語

針對某數(shù)字陣列模塊在地面和高空環(huán)境下散熱問題，進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計，并做了相應(yīng)的熱分析。分析表明，所提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計滿足數(shù)字陣列模塊的工作要求，對下一步產(chǎn)品批量化設(shè)計和生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 張根烜，王璐，張先鋒，等.DAM兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)實驗研究[J].制冷學(xué)報，2016，37(1):90-94.

[2] 程伶俐. 某米波雷達數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機械與電子，2013(1):76-78.

[3] 張潤逵，戚仁欣，張樹雄，等. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 侯增祺，胡金剛. 航天器熱控制技術(shù)：原理及其應(yīng)用[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[5] 唐寶富，鐘劍鋒，顧葉青.有源相控陣雷達天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2016.