一種微波功率放大器的熱設計與驗證方法

王磊 文耀普

(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)

1 引言

電子器件功率的增大和集成度的提高,必然導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、結構緊湊、可靠性高、噪聲低、線性好等優(yōu)點,在移動通信、雷達系統(tǒng)中得到廣泛的應用。尤其在有源相控陣雷達中,微波功率放大器扮演著重要的角色。

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換成熱能向周圍擴散,使器件本身和周圍其他元器件處于高溫狀態(tài)下工作。而高溫使元器件電性能惡化,引起失效,導致設備可靠性下降[3-5]。資料表明:單個半導體元件的溫度升高10℃～12℃,其可靠性能降低50%[6]。

目前多數(shù)電子設備都有熱設計和熱分析,隨著器件的密集化,電子設備的功率密度增大,對熱設計的需求也日益強烈[7]。因為熱設計不當,導致設備失效或性能下降的事例并不鮮見。因此合理的熱設計就成為微波功率放大器可靠性成敗的關鍵[8]。

本文對環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星微波功率放大器(以下簡稱功率放大器或放大器)的熱控設計以及熱平衡試驗進行了研究。

2 熱設計方案

環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星在一年的運行過程中,既存在全日照區(qū),又有陰影區(qū)。功率放大器的峰值熱耗為620W,熱流密度最大值為34 000W/m2,其中行波管熱耗450W,電源熱耗80W,調制器熱耗70W,微波開關熱耗10W,控制器熱耗10W,功率放大器熱流分布如圖1所示,由圖中可以看出,在軌道周期中的熱耗波動范圍非常大。功率放大器的安裝底板溫度要求為-50～+50℃,環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的功率放大器和其它載荷設備每圈軌道工作時間不超過15min,每天連續(xù)工作不超過4圈。

圖1 功率放大器熱流分布圖Fig.1 Heat flux of distribution

功率放大器的熱設計方案是:在放大器底部安裝熱控冷板,熱控冷板通過熱管與星體外部的熱輻射器連接,把熱量直接導到熱輻射器上,然后以輻射的方式排散到冷空間。熱輻射器的外表面使用太陽吸收比較低、而發(fā)射率較高的SR107-ZK 熱控白漆,保證熱輻射器所受外部環(huán)境熱流的影響達到最小。

熱控冷板由實心板和蜂窩板組成,設計中根據熱控冷板的結構尺寸以及熱源的位置,預埋8 根熱管。對預埋熱管,為了加大儀器與熱管之間的接觸面積、減輕重量,采用了鋁-氨軸向雙孔槽道熱管。該型熱管已在國內、外航天器上大量使用,性能穩(wěn)定、工藝性好。

在熱控冷板內表面功率放大器安裝區(qū)域外的兩側,布置有電加熱回路,在放大器不工作時,采取加熱補償?shù)姆绞竭M行溫度補償,以確保放大器的溫度不會過低。

為了防止放大器、熱控冷板、熱管與星內環(huán)境的熱耦合,減少星內輻射散熱,在熱控冷板與熱管的外面包覆多層隔熱材料。

放大器表面(安裝面除外)噴ERB-2 黑漆或進行黑色陽極氧化處理。放大器與安裝面間填充導熱硅脂,以強化微波功率放大器與熱控冷板之間的熱交換。

放大器熱控設計示意圖見圖2。

圖2 熱控設計示意圖Fig.2 Thermal Control Features

3 熱平衡試驗驗證

為了驗證功率放大器熱設計的正確性,針對熱設計方案進行了熱平衡試驗,放大器的熱平衡試驗在熱真空模擬室中進行[9]。

3.1 試驗件狀態(tài)

功率放大器熱模擬小艙示意圖如圖3所示,熱模擬小艙由熱控冷板、熱模擬件、小艙艙板組成。

圖3 模擬小艙示意圖Fig.3 Stereogram of thermal simulation cabin

放大器的熱模擬件安裝在熱控冷板上,安裝面之間填充導熱脂。放大器外面為2mm 厚的鋁外殼,在鋁外殼外面包覆有多層隔熱材料。在放大器之外,是模擬小艙隔板。

熱控冷板的實心板部分的尺寸為550mm ×320mm ,此部分預埋5 根30mm×15mm ×1 150mm的雙孔槽道熱管。熱控冷板的其它部分為25mm厚蜂窩板,預埋有3 根25mm ×25mm×1 150mm 的雙孔槽道熱管;熱控冷板外表面噴SR107-ZK 白漆,面積為1 228mm×400mm,其余部分包覆多層隔熱組件。

熱控冷板內表面粘貼加熱器,在小艙艙板和艙內隔板上粘貼加熱器來模擬周圍邊界條件。

熱控冷板與小艙艙板之間墊5mm 玻璃鋼墊隔熱。

模擬小艙通過一個可調試水平度的支架,放在真空室的導軌小車上,試驗時熱控冷板外表面朝上水平放置,即Y 軸垂直地面,熱管與地面平行。

3.2 試驗工況

試驗包括3個工況,每個工況對應的軌道周期飛行時間為90min,微波功率放大器工作15min。

工況1:小艙艙板和艙內隔板溫度均為-5℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作4圈,停止工作4圈。

工況2:散熱面小艙艙板和艙內隔板均為45℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作4圈,停止工作4圈。

工況3:小艙艙板和艙內隔板均為45℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作8圈。

3.3 試驗結果及分析

圖4～圖9是各試驗工況的儀器溫度隨時間變化曲線。

圖4 工況1 行波管溫度曲線Fig.4 Temperature curve of TWT of case 1

圖5 工況1 微波功率放大器溫度曲線Fig.5 Temperature curve of pow er amplifier of case 1

工況1 最高溫度出現(xiàn)在第4圈軌道,功率放大器收集級最高溫度為13.9℃,慢波線溫度為-5.7℃(見圖4),放大器熱控冷板最高溫度為-18.8℃(見圖5)。

工況2 第1圈軌道結束時放大器收集級最高溫度為13.5℃,慢波線溫度為-5.9℃;第2圈軌道結束微波功率放大器收集級最高溫度為15.5℃,慢波線溫度為-3.4℃;第3圈軌道結束微波功率放大器收集級最高溫度為17.4℃,慢波線溫度為-0.74℃;第4圈軌道結束放大器收集級最高溫度為18.8℃,慢波線溫度為0.23℃(見圖6);放大器熱控冷板最高溫度為-12.0℃(見圖7)。由工況3試驗結果可以看出,最高溫度出現(xiàn)在最后1圈軌道,此時,放大器收集級最高溫度為44.3℃,慢波線溫度為25.6℃(見圖8);放大器熱控冷板最高溫度為14.1℃(見圖9)。

由以上試驗數(shù)據可以看出,收集級的最高溫度為44.3℃,同一測點的最大溫升為56.3℃;慢波線的最高溫度為25.6℃,同一測點的最大溫升為37.6℃;放大器熱控冷板的最高溫度為14.1℃,同一測點的最大溫升為25.7℃;放大器艙板測溫點的溫度在-38.7℃～0.8℃之間。

圖6 工況2 行波管溫度曲線Fig.6 Temperature curve of TWT of case 2

圖7 工況2 功率放大器溫度曲線Fig.7 Temperature curve of pow er amplifier of case 2

圖8 工況3 行波管溫度曲線Fig.8 Temperature curve of travelling wave of case 3

圖9 工況3 微波功率放大器溫度曲線Fig.9 Temperature curve of pow er amplifier of case 3

在試驗中,放大器安裝板的補償加熱功耗為160W,其工作方式為放大器工作時關閉,放大器不工作時工作。放大器安裝板的溫度在-38.7℃～-33.4℃之間,說明目前的功耗是可以維持放大器安裝板在-35℃的水平。表1為各工況熱管溫度。

表中測點1、2、3表示在同一根熱管上的3個測點。從表中可以看出,蜂窩板區(qū)域熱管的最大溫差為4.8℃,最小溫差為0.8℃;實心板區(qū)域熱管的最大溫差為12.2℃,最小溫差為0.2℃。由于實心板區(qū)域熱管的測溫點在熱管上方的實心板上,蜂窩板處的熱管的測溫點在熱管上方的蒙皮表面,因此,蜂窩板處的溫度較好地反映了熱管的溫度水平,而實心板處的溫度并不代表真實的熱管溫度,但可以反映熱管區(qū)域的溫度變化。總體上看,熱管溫度與功率放大器溫度的一致性保持得很好,以上數(shù)據說明熱管工作正常,顯示了熱管拉平儀器溫度的作用。

表1 熱管溫度Table1 Temperature distribution of heat pipe℃

4 結束語

本文針對環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星有效載荷微波功率放大器的特點,采用主動與被動相結合的熱設計思想和方法,合理進行了散熱面、隔熱措施和等溫化熱設計,并輔以電加熱的主動熱設計,完成了微波功率放大器的熱控設計。根據熱控設計的方案,進行了相應的熱平衡試驗,試驗結果表明,熱設計可以滿足設計要求。

References)

[1]范含林.未來航天器高功率密度載荷的熱控制技術[J].航天器工程,2005,14(3):21-24

[2]Leach R D.Spacecraft system failures and anomalies attributed to the natural space environment [R],AIAA-95-3564,1995

[3]Frey R,Kane M.Temperature effects examined for microwave power transistor performance and therma1 design considerations[J],Microw ave System s New s,1985,15

[4]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京:高等教育出版社,2002

[5]謝德仁.電子設備熱設計[M].南京:東南大學出版社,1989

[6]袁孝康,編著.微帶功率晶體管放大器[M].北京:人民郵電出版社,1982

[7]Dereje AJ,Arnold F.Numerical modeling of an entire thermal conduction module using a thermal coupling methodology[C]// San Francisco:ASME International Mechanical Engineering Congress,1995

[8]Luke Maguire,M asud Behnia,Graham Morrison.Systematic evaluation of thermal interface materials-a case study in high power amplifier design[J].Microelectronics Reliability 2005,45:711-725

[9]H etsroni G,Mosyak A,Segal Z,et al.Auniform temperature heat sink for cooling of electronic devices[J].Inter.J.Heat M ass T ransfer,2002,45:3275-3286