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,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、線性好等優點,在移動通信、雷達系統中得到廣泛的應用。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]。

本文對環境監測衛星微波功率放大器(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

環境監測衛星在一年的運行過程中,既存在全日照區,又有陰影區。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℃,環境監測衛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、而發射率較高的SR107-ZK 熱控白漆,保證熱輻射器所受外部環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,性能穩定、工藝性好。

在熱控冷板內表面功率放大器安裝區域外的兩側,布置有電加熱回路,在放大器不工作時,采取加熱補償的方式進行溫度補償,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

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,蜂窩板區域熱管的最大溫差為4.8℃,最小溫差為0.8℃;實心板區域熱管的最大溫差為12.2℃,最小溫差為0.2℃。由于實心板區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

本文針對環境監測衛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。

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