某星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計(jì)研究

摘 要：合成孔徑雷達(dá)（SAR）由于其技術(shù)特點(diǎn)而受到普遍重視，在合成孔徑雷達(dá)等微波設(shè)備中，數(shù)字前端是重要組成部分。對(duì)某星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證其滿足強(qiáng)度要求。為了使導(dǎo)熱襯墊的壓縮量達(dá)到最佳使用效果，對(duì)印制板進(jìn)行了厚度方向公差分析，以保證其結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及裝配要求。此外，根據(jù)該數(shù)字前端的安裝方式、熱耗分布等對(duì)其開展了詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)并以此作為技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行了熱分析，確保所使用的元器件溫度得到控制。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)；數(shù)字前端；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；公差分析；熱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN957.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）16-0026-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.008

0" " 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）由于其技術(shù)特點(diǎn)而受到普遍重視，成為軍民兩用普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的遙感設(shè)備。星載SAR不受氣象和光照條件的限制，能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全空域、大面積、高分辨對(duì)地觀測(cè)，在農(nóng)、林、地質(zhì)、水域等民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在軍用測(cè)繪、情報(bào)偵察等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。

數(shù)字前端是星載SAR的重要組成部分，其作用是基于軟件無(wú)線電收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字化處理方式完成接收和發(fā)射鏈路中中頻信號(hào)和基帶信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換[2-3]，真正實(shí)現(xiàn)了中頻數(shù)字化、軟件無(wú)線電的趨勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)等微波設(shè)備中[4]，是星載雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分。

作為安裝在航天器上的電子設(shè)備，要承受運(yùn)輸、發(fā)射、上升以及在軌運(yùn)行各個(gè)階段的熱環(huán)境。熱設(shè)計(jì)的目的是利用熱傳遞技術(shù)，降低發(fā)熱元器件和部件本身的溫度，使電子設(shè)備整機(jī)內(nèi)部溫升降低到所要求的范圍，提高設(shè)備抗溫度應(yīng)力的能力[5]，保證產(chǎn)品的各個(gè)元器件在測(cè)試試驗(yàn)、發(fā)射過(guò)程和在軌運(yùn)行過(guò)程中滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度降額等級(jí)。

本文針對(duì)某星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)和熱控進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，保證其結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，對(duì)其印制板的厚度公差進(jìn)行了控制，并根據(jù)其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設(shè)計(jì)和熱分析，使其具有良好的導(dǎo)熱路徑，元器件的溫度達(dá)到航天產(chǎn)品使用要求。

1" " 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與公差分析

1.1" " 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮滿足電性能要求，考慮結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能滿足星上力學(xué)要求；同時(shí)還要考慮各電路模塊之間的電磁兼容性、各模塊安裝及電裝散熱性能、重量等方面。具體設(shè)計(jì)原則包括：

1）優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì)，縮小體積、減輕重量，滿足衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)設(shè)備的尺寸和重量的苛刻要求；

2）提高設(shè)備結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度，以承受各種惡劣力學(xué)環(huán)境，特別是發(fā)射階段的沖擊、振動(dòng)等環(huán)境；

3）星內(nèi)電子設(shè)備嚴(yán)格按照航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)型，從力學(xué)加固、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容、抗輻射、可靠性、安全性、布局及綜合布線等方面進(jìn)行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

數(shù)字前端由印制板、殼體、蓋板和擋板組成，外形尺寸268 mm（長(zhǎng)）×167 mm（寬）×32 mm（高），總重量1 455 g。數(shù)字前端主要以盒體為安裝主體，將數(shù)字前端印制板、蓋板和擋板通過(guò)緊固件進(jìn)行固定。受重量和體積限制，為保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)采用2A12-H112鋁合金，數(shù)字前端的三維分解圖如圖1所示。殼體上設(shè)計(jì)了直徑為4.5 mm的定位銷作為定位基準(zhǔn)，保證安裝相對(duì)公差。印制板安裝在殼體內(nèi)部，通過(guò)螺釘緊固?？紤]到印制板和連接器實(shí)際安裝需要，設(shè)計(jì)了擋板結(jié)構(gòu)，以方便印制板和連接器的安裝，并能起到較好的電磁屏蔽效果。由于印制板上有大量的散熱器件，為了使這些散熱器件能較好地散熱，殼體上設(shè)計(jì)了許多的散熱凸臺(tái)，安裝時(shí)散熱凸臺(tái)與印制板的散熱器件之間需要墊上導(dǎo)熱襯墊，同時(shí)還涂上導(dǎo)熱膠。在蓋板上設(shè)計(jì)了凸筋結(jié)構(gòu)，除了起到提高蓋板剛強(qiáng)度的作用外，還起到了與殼體配合形成電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的作用。

因?yàn)樾禽d設(shè)備的重量要求很苛刻，在保證電性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及抗輻照的前提下，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件采取了減重措施。殼體上除了留出足夠的空間用于安裝連接器外，對(duì)殼體的腔高進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膲嚎s，并將殼體設(shè)計(jì)成階梯形狀，以有效減小殼體的重量。對(duì)于蓋板，除了留出必要的厚度以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求外，在蓋板上設(shè)計(jì)了大量的減重槽。最終金屬結(jié)構(gòu)件可以減重約27%。

1.2" " 公差分析

印制板厚度方向的安裝公差與芯片散熱、連接器裝配有很大的相關(guān)性，所以要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

由于數(shù)字前端中印制板與盒體間會(huì)引入導(dǎo)熱襯墊以利于熱傳遞，而為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱襯墊達(dá)到最優(yōu)的傳熱效果，必須保證壓縮量控制在10%～30%之內(nèi)，因此有必要對(duì)盒體的凸臺(tái)以及印制板安裝面進(jìn)行公差控制。根據(jù)熱控分析可知，導(dǎo)熱襯墊進(jìn)行熱傳遞，厚度為1.016 mm，由于壓縮量必須控制在10%～30%之內(nèi)，因此要求導(dǎo)熱襯墊的安裝公差必須處于±0.1 mm內(nèi)。由于殼體散熱凸臺(tái)是在測(cè)量出了安裝在印制板上芯片的高度后再加工的，且本設(shè)計(jì)采用印制板安裝面與散熱凸臺(tái)之間的總公差為±0.05 mm，根據(jù)公差尺寸計(jì)算可知，導(dǎo)熱襯墊的尺寸公差為±0.05 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

印制板的厚度過(guò)大會(huì)造成與連接器探針安裝時(shí)的干涉，因此也要控制印制板的厚度。殼體上射頻連接器JSSMA-KFD5602安裝孔位尺寸和連接器本體尺寸如圖2和圖3所示。

印制板厚為2.1 mm，公差±7%（±0.147 mm），射頻連接器邊沿距離印制板的最小距離為：

2.45-2.1-0.5/2+（4.7-4.6）/2=

0.15 mm＞0.147 mm" " " " " " （1）

因此，在安裝連接器JSSMA-KFD5602時(shí)不會(huì)出現(xiàn)與印制板干涉現(xiàn)象，滿足使用要求。

2" " 熱設(shè)計(jì)與熱分析

2.1" " 熱設(shè)計(jì)要求

某星載數(shù)字前端作為航天電子模塊，其熱設(shè)計(jì)要求如下：

1）考慮到元器件合理的安裝方式和散熱措施，尤其是功率器件，在任何模式下，元器件的工作溫度不超過(guò)Ⅰ級(jí)降額要求。

2）散熱措施須符合電子設(shè)備的電性能和機(jī)械性能指標(biāo)，滿足尺寸、重量、電磁兼容、抗輻照等產(chǎn)品規(guī)范要求及安全性、可靠性、可維修性等六性要求。

2.2" " 熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電子設(shè)備的長(zhǎng)壽命和高可靠性，必須采取合適的散熱措施使電子設(shè)備內(nèi)元器件的工作溫度不超過(guò)Ⅰ級(jí)降額要求。單機(jī)的散熱途徑主要有兩條：元器件的一部分熱量通過(guò)印制板傳給單機(jī)殼體，直接安裝在殼體上的元器件，熱功耗通過(guò)接觸導(dǎo)熱直接傳給單機(jī)殼體，這種散熱通道稱為導(dǎo)熱散熱路徑；也有一部分熱功耗通過(guò)元器件外表面向外輻射，最終傳給單機(jī)殼體，這種散熱通道稱為輻射散熱路徑[6]。由于單機(jī)內(nèi)部溫差較小，熱傳導(dǎo)比熱輻射效果明顯，散熱路徑以導(dǎo)熱散熱路徑為主。

該數(shù)字前端熱耗分布如圖4所示，總熱耗為44.98 W，其中D1、D3、D4、D5、D6、N5、N7、D13、D14、D15、D19、D20、D21、D22是主通道，其余器件是備通道，采用冷備份，主備通道不同時(shí)開電。

數(shù)字前端立式安裝于天線陣面有源安裝板，熱量通過(guò)殼體地面?zhèn)鲗?dǎo)至天線有源安裝板。大功率元器件均通過(guò)盒體凸臺(tái)接觸散熱，為了降低接觸熱阻，接觸面墊導(dǎo)熱襯墊，并保證10%～30%的壓縮量。

數(shù)字前端以殼體底板為安裝面和散熱面，安裝面平面度優(yōu)于0.1，粗糙度優(yōu)于3.2，接觸面使用導(dǎo)熱硅脂減小接觸熱阻。殼體材料采用高熱導(dǎo)率的鋁合金2A12，元器件熱量通過(guò)殼體向安裝底面?zhèn)鲗?dǎo)，為了增強(qiáng)殼體傳熱效率，殼體厚度不低于3.5 mm，且盒體圖5所示區(qū)域不能有減輕槽。

此外，要求外表面（除安裝面外）噴涂了E51-M熱控黑漆，保證其半球反射率εh≥0.85，以強(qiáng)化天線陣面各設(shè)備之間的輻射換熱。

2.3" " 熱分析

采用NX軟件作為分析工具，該軟件可以從電子設(shè)備的環(huán)境層、系統(tǒng)層、電路板及部件層直至芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層等各種不同層次對(duì)系統(tǒng)散熱、溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。熱分析模型主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面簡(jiǎn)化[7]：

1）在結(jié)構(gòu)方面，模型中忽略了螺釘孔、倒角、接插件等特征。

2）該設(shè)備與其他設(shè)備主要通過(guò)電纜連接，電纜導(dǎo)熱性能相對(duì)較差，因此仿真分析中可以忽略其他設(shè)備對(duì)該設(shè)備的影響。

3）由于元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模時(shí)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，根據(jù)元器件的主體材料，將元器件假定為陶瓷塊，保證其尺寸及散熱面積與實(shí)際相同，這樣通過(guò)計(jì)算可得到較為準(zhǔn)確的元器件外殼溫度。得到元器件外殼溫度后，根據(jù)器件結(jié)-殼熱阻計(jì)算出結(jié)溫，對(duì)未提供結(jié)-殼熱阻的元器件，根據(jù)GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》[8]中相應(yīng)封裝的元器件數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。

4）熱分析中忽略了元器件之間的輻射傳熱，僅考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

分析模型適當(dāng)簡(jiǎn)化刪除一些幾何特征有利于提高熱分析精度，對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的分布不會(huì)有影響，簡(jiǎn)化后的模型如圖6所示。

該單機(jī)在軌階段工作溫度范圍為-40～55 ℃，選取在軌工作高溫55 ℃作為熱分析工況，分機(jī)內(nèi)部元器件結(jié)溫應(yīng)滿足Ⅰ級(jí)降額要求。

熱分析邊界條件描述如下：

1）安裝面定溫55 ℃；

2）周圍環(huán)境定溫55 ℃。

針對(duì)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)開展了熱分析，在高溫55 ℃情況下，主份開機(jī)工況結(jié)果如表1所示，備份開機(jī)工況結(jié)果如表2所示，元器件結(jié)溫滿足Ⅰ級(jí)降額要求。

3" " 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字前端作為合成孔徑雷達(dá)的重要組成部分，需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析。本文對(duì)某數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證其滿足強(qiáng)度要求，并對(duì)印制板的厚度公差進(jìn)行了控制，使安裝不會(huì)出現(xiàn)干涉。此外，根據(jù)其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設(shè)計(jì)和熱分析，確保其具有良好的導(dǎo)熱路徑，所使用的元器件高溫工況下結(jié)溫符合溫度Ⅰ級(jí)降額要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 朱良，郭巍，禹衛(wèi)東.合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展歷程及趨勢(shì)分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31（4）：5-10.

[2] 李春雨.TD-LTE分布式基站多天線射頻拉遠(yuǎn)單元數(shù)字前端的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[3] XILINX.TD-SCDMA Digital Front-End Design Descrip-

tion[Z].Multiple Access Communications Ltd，2008.

[4] 趙國(guó)棟，郭德淳.基于FPGA的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與品，2006（1）：43-44.

[5] 丁小東.電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].環(huán)境技術(shù)，2001，19（3）：21-23.

[6] 呂慎剛，江守利.星載微組裝T/R組件的封裝設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2023，39（3）：44-48.

[7] 孫遠(yuǎn)濤，謝標(biāo)，馮明揚(yáng).考慮熱環(huán)境下某數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2018，36（1）：7-9.

[8] 元器件降額準(zhǔn)則：GJB/Z 35—1993[S].

收稿日期：2024-04-15

作者簡(jiǎn)介：馮明揚(yáng)（1991—），男，安徽蚌埠人，工程師，從事航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。