某弹载毫米波功率放大器结构设计

陈福林

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

某弹载毫米波功率放大器结构设计

陈福林

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

随着电子技术的迅猛发展，雷达、通讯、电子对抗等电子设备的整机功率越来越高，体积要求越来越小，因而电子设备的小型化设计和热设计就显得越来越重要。弹载设备的使用环境迥异于机载和地面，对其外形、体积、重量和质心都有严格的要求。毫米波功率器件是无封装的裸芯片，如何对其进行有效防护，是提高设备寿命和可靠性的关键。文中从质量、质心设计及防护设计等方面，介绍了一种弹载毫米波功率放大器的实现过程。

毫米波功率放大器；热设计；小型化；质心；防护设计

引 言

毫米波因其自身频段和波长的特点，具有抗干扰能力强、衰减低、穿透云层和战场烟雾能力较强及能在恶劣环境中工作等诸多优点。近年来，世界主要发达国家都将其作为军事电子技术发展的主要频段，广泛应用于导弹精确制导、雷达技术和电子对抗等技术领域。弹载毫米波功率放大器作为末制导技术导弹的一个重要单元，其设计成功与否是影响整弹成功与否的关键。由于受弹体空间、导弹所处环境、导弹重量和质心的限制，弹载毫米波功率放大器往往需设计成异形结构。面对诸多限制因素，如何设计出满足要求的产品，是结构设计面临的巨大难题。

针对以上由诸多限制因素造成的结构设计难题，文中介绍了一种弹载毫米波的结构设计，开展了详细的小型化设计、热设计和防护设计等。其功能是将信号放大到所需的电平值，其难点在于要求使用寿命长，功耗大，尺寸小，质量、质心要求高。

1 毫米波功率放大器主要技术指标

毫米波功率放大器的主要技术指标包括使用寿命15年；饱和输出功率Psat≥ 6 W(常温满功率)，60 ℃条件下输出功率不小于5 W；总功耗≤ 60 W；工作温度范围-40 ℃～+70 ℃；可靠连续工作时间不小于50 s；重量(425±5)g；质心Xc为(34±0.1)mm，Yc为(0±0.1)mm，Zc为(12.2±0.1)mm。功率放大器的外形尺寸、安装接口及坐标定义如图1所示。

图1 功率放大器的外形尺寸、安装接口及坐标定义

2 小型化设计

从上述主要技术指标可以看出，该功率放大器的体积、重量和质心要求颇高，特别是受外形的限制，在规定的尺寸范围内要实现功率放大器自身的功能，还得兼顾质量、质心的要求，此时小型化设计就显得尤为重要。为满足功能要求，在保证弹载使用环境的前提下，结合功率放大器自身的特点，最终将其分为射频和低频2个功能区。功能分区及内部电气互联如图2所示。

图2 功率放大器功能分区及内部电气互联

采用上述分区的特点，既能满足功率放大器的功能，又能实现射频和低频功能区的隔离；既能充分利用空间，又使结构紧凑、合理，从而实现功率放大器的小型化设计。

3 质量、质心设计

根据特定的尺寸、重量要求和功能分区，模块主体为左右对称结构。为满足热设计和后续焊接工艺的要求，除PCB板的盖板为铝外，其余材料选择铜。为实现其功能，给出低频板的尺寸39.5 mm × 31 mm × 1 mm(长 × 宽 × 厚)，其上的器件按对称排布的原则进行布局，射频部分2个大功率芯片对称布局，其余器件(如低频板上的贴片电阻等)和J63A导线的重量只有零点几克甚至更轻，对质量、质心的影响太小，设计时可忽略不计。通过中心计算公式G×L=G1×L1+G2×L2+…+Gn×Ln(G为重量，L为重心位置)，可计算出重心位置L。同时在UG软件中，为各个零件、器件及紧固件附上相应的密度属性，可以通过软件自动分析得出质量、质心位置。对比分析表明，两者结果均满足指标要求。

为调节设计理论值和实际值存在的偏差以及满足功率放大器外形设计的要求，在功率放大器外面增加了1块质量、质心调节及共形盖板，如图3所示。该盖板内部根据质量和质心的要求预先铣出减重和质心调节腔体，外形按功率放大器技术指标的要求设计成与功率放大器共形的曲面，从而满足功率放大器的质量、质心和外形的指标要求。

图3 质量、质心调节及共形盖板

4 热设计

随着电子设备朝着超小型化方向的发展，高密度的集成使得设备功耗过大，高温诱发的电失效、腐蚀失效往往会大大缩短元器件的使用寿命。为提高设备的可靠性，热设计是整个设计中的一个重要环节。

该功率放大器的功耗也是设计的重点，尤其是在这么小的体积内，功率器件的散热方式和途径是决定功率放大器方案成功与否的关键。由于该设备为弹上设备，不能通过风冷来实现散热，外部安装平台也没有搭载液冷源，采用传导的方式散热成为唯一的选择。考虑到该模块的大功率器件都分布在射频区域，结合毫米波器件的特点，设计时将大功率器件直接焊接在厚度为8 mm的材料为铜镀金的功率放大器下腔上。这样，一方面减小了接触热阻，另一方面又为功率器件提供了一个相对大的热沉，从而有利于增强热传导，快速地将热量传递到功率放大器下腔上，再通过下腔将热量传递给安装平台。

为了进一步对其进行热设计，还对其进行了热设计仿真。按要求在+70 ℃环境下对满功耗、50 s内状态进行了瞬态热分析，得出了50 s时芯片安装面的温度。整个功率放大器置于弹体内，其热耗器件及安装计算模型如图4所示。

图4 热耗器件及安装计算模型

计算模型按CAD模型建模,计算包括了相应的芯片，但没有考虑安装平台的热耗。按要求设定了计算边界条件，全部计算稳态结果，计算考虑了各模块与壁面间的辐射。环境温度为+70 ℃，50 s时的分析结果如图5所示。

图5 内部芯片50 s时的表面温度分布云图及芯片安装面温度随时间变化曲线

由此可知，采用这种结构方案的功率放大器不仅结构紧凑，还能满足功率器件的散热设计要求。

5 防护设计

众所周知，毫米波模块的射频电路部分微波腔体内的电路都是由微带片和微波器件组成的，而微波器件又是一个没有封装的裸芯片，未封装的裸芯片长期暴露在空气中会造成器件氧化、腐蚀等一系列问题，从而导致器件功能下降和失效。一方面，要求设备寿命长，而另一方面，裸芯片又极易被腐蚀而失效。因此如何对没有封装的裸芯片进行防护，是决定该功率放大器是否满足15年工作寿命要求的关键。

5.1 防护方法

目前对毫米波裸芯片的防护通常采用的方法有Parylene涂层和密封等。结合功率放大器射频和低频板之间还需满足电磁屏蔽和Parylene涂覆后不易去除的特点，该功率放大器裸芯片防护采用密封设计的方法。

密封的方式分为用橡胶密封圈密封和焊接密封。橡胶圈密封的优点是拆卸方便、维修性好，缺点是易老化；焊接密封的优点是可长期可靠使用，缺点是维修性差。由于存在设备体积和使用寿命的限制，对该设备采用了焊接密封的方式。结合设备的使用环境、材料，为了尽可能提高其维修性，对其采用了锡焊密封。

5.2 射频电路的密封

对射频电路部分，首先通过螺装盖板完成电磁屏蔽，然后再焊接盖板实现密封。为了实现较为良好的锡焊，将封盖内缩1 mm，焊接时在封盖与下沉腔体之间的缝隙处填塞低温焊料(如铟锡焊料)进行阶梯焊接。此外，为了防止焊料流入射频腔内，在射频腔与封盖腔之间加工1个1 mm的沉锡槽。射频电路的密封如图6所示。

图6 射频电路封焊

5.3 波导口的密封

射频输入、输出为标准的GB320波导口，波导口直接通向射频腔，传统的波导—微带过渡均为开放性结构，难以满足密封的需要。将密封性的同轴传输线(波珠)作为中间过渡，可有效实现波导与微带电路之间的隔离。由于波导口的尺寸有限，将其设计成封闭的结构形式无法实现波珠的焊接。为了提高波珠的焊接工艺性，对输入、输出口的波导上腔进行单独加工，波珠连接后再通过螺钉紧固形成完整的波导口。波导口的密封及设计如图7所示。

图7 波导口的密封设计

5.4 低频电路板的防护

对低频板，采用喷三防漆的方式进行防护。这是航空航天领域内最常见的和成熟的工艺方法，在多个型号上已得到充分验证，满足设计要求。

6 测量及验证

为了验证本文所提出的散热和防护设计的正确性和合理性，对该功率放大器进行了惰性气体检漏试验、高低温试验和湿热等试验，结果均满足设计要求。采用型号为PGE8的质量质心测试仪，对每件功率放大器的质量、质心进行了测量，质量都在422 ～ 426 g的区间范围内，质心Xc为33.95 ～ 34.08 mm，Yc为-0.02 ～ +0.0 8 mm，Zc为12.13～12.29 mm，结果均满足设计要求。

7 结束语

该功率放大器经过小型化共形结构设计，完全满足技术指标要求。通过结构的共形盖板来调节功率放大器的质量和质心，使功率放大器成为一个整体，不需后续增减任何配重块来调节质量和质心，从而使其结构紧凑，空间利用率高，设备可靠性大大提高。该功率放大器顺利通过了振动、冲击、电磁兼容、低气压和高低温等一系列环境试验，在某弹载末制导上使用效果良好，满足弹载设备的使用要求。

[1] 邱成悌，赵惇殳， 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 东南大学出版社, 2001.

[2] 苏·波利亚·科夫. 电子设备的结构设计[M]. 北京: 科学出版社, 1982.

[3] 余建祖．电子设备热设计及分析技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[4] 王健石，胡克全，吴传志. 电子设备结构设计手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 1993.

[5] 黄居峰，赵颖颖. 异形结构电子设备热分析研究[J]. 电子机械工程, 2013, 19(2): 24-26, 30.

陈福林(1974-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Structure Design of a Missile-borne MMW Amplifier

CHEN Fu-lin

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

With the fast development of electronics technology, it is required that the system power of the electronic equipment such as the radar, telecommunication and ECM is higher and higher and the volume is smaller and smaller. Thus miniaturization design and thermal design of the electronic equipment become more and more important. The operation environment of the missile-borne equipment is different much from that of the airborne equipment and ground-borne equipment. More strict requirements of shape, volume and mass centre are necessary in missile-borne equipment. The protection design of the naked MMW chips is one of the key factors in endurance and reliability of the equipment. A missile-borne MMW power amplifier is introduced in this paper from the mass, mass centre and protection design.

MMW power amplifier; thermal design; miniaturization; mass center; protection design

2014-12-03

TN722.7+5

A

1008-5300(2015)02-0029-04