車載發射機密封機箱的結構及熱設計

文/白宗旭 李佳 黃小丹

發射機對結構散熱要求高，一般利用艙內環控條件冷卻，通過同軸電纜與艙外天線連接。但電纜增加了相關損耗，將發射機安裝在天線附近，可有效降低饋線差損，滿足系統輻射功率指標要求。

為滿足防淋雨和防塵的要求，發射機結構采用密封機箱形式；同時對機箱散熱優化設計，滿足發射機在高溫條件下的工作要求。

1 結構方案設計

該密封機箱尺寸為550mm×450mm ×195mm（不含風機組件），內部模塊總功耗約為1310W。設計要求滿足45℃環境，無系統環控條件可用。

機箱平均熱流密度已超過自然對流散熱閥值，需用強迫風冷散熱方式進行冷卻。為利用風冷板安裝面并滿足密封、減輕重量等要求，將強制風冷板布置在機箱中部。模塊安裝風冷板上下兩側，通過風機組件中并聯的風機抽風對機箱散熱。見圖1。

2 機箱的密封結構

機箱上下腔及冷板采用鋁合金釬焊一體化加工成型，加工后可采用充氣加壓的方式檢驗各個側板接縫處密封性。

2.1 橡膠密封原理

機箱與蓋板安裝面之間靜密封，橡膠密封圈安裝在凹槽內。見圖2。

橡膠密封圈變形前高度H1，變形后的高度H2，密封圈變形量：

在ε=10%的情況下，即使壓縮后的高度H2小至0.01，仍會無法對水密封。當增大至20%～30%時，橡膠彈性變形作用讓密封圈緊貼裝配面，達到可靠密封。當變形量超過30%以后，橡膠疲勞易出現損壞，導致密封失效。故變形量取20%～30%為宜。

2.2 密封材料及安裝形式

橡膠材料彈性好、耐老化以及耐高低溫。加入鋁鍍銀等金屬粒子后，橡膠導電性可以提高機箱的電磁屏蔽性能。本機箱密封選用鋁鍍銀粒子的導電硅橡膠材料。

安裝面通過合理設計密封槽尺寸，裝入硅橡膠墊達到密封效果，連接器須選用防塵防水等級。

2.3 密封機箱的加工檢驗

采用釬焊加工提高自身密封性和結構強度，焊接前分別加工各板，通過工裝定位后釬焊，并用打壓試驗檢驗是否泄漏。

3 熱設計

發射機內所有模塊功耗將熱量傳導至風冷板，空氣通過風冷板翅片產生熱交換。考慮到氣溫及車載環境影響，設定入口溫度為45℃。

3.1 散熱計算及風機選擇

發射機風冷板的供風量Q 主要取決于總功耗P 和風冷板進、出口空氣的溫差△t，熱平衡方程為：

式中，P=1310W，Cp=1005 J/Kg· ℃，ρ=1.1105kg/m3。△t 為風冷板進、出口空氣溫差，在電子設備強迫風冷設計中，空氣進、出口溫差不應超過14℃，根據經驗取值△t=10℃。

初步根據工程經驗確定風機工作點，選用3 個PMD2412AMB1-A 軸流風機并聯，該風機工作最高環境溫度70℃，防塵防水等級IP55，滿足使用環境要求。

3.2 有限元仿真分析

利用IcePak 建模仿真，功耗最大的功放模塊中GaN 芯片功耗120W，熱阻0.9℃/W，通過共晶焊接至載板安裝。見圖3。

結果表明，風機出口平均溫度為56.1℃，系統進出口溫升為11.1℃，驗證了發射機散熱方案設計的合理性。

GaN 芯片結溫為182.4℃，低于最高工作結溫225℃。該密封結構設計有效可行，滿足要求。

圖1：發射機結構方案設計

圖2：橡膠密封原理圖

圖3：風冷板仿真分析結果

4 結論

密封設計和大功率器件散熱設計是電子設備結構設計難點。本文探討的大功率車載固態發射機的密封機箱結構形式，具備良好的密封機散熱性能，可以滿足發射機密封和散熱的要求，對于大功率密封發射機結構的設計具有工程借鑒意義。