一种雷达发射机的热设计与验证方法

齐凤梅， 王 皓， 江 雷

(92941部队44分队， 辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

电子器件功率的增大和集成度的提高， 必然导致高热流密度器件的出现， 例如行波管、 微波功率放大器、 电源控制器等[1-2]. 微波功率放大器具有集成度高、 结构紧凑、 可靠性高、 噪声低和线性好等优点， 在雷达系统中得到广泛的应用. 微波功率放大器在大功率下工作， 其所消耗的电能中大部分被转换成热能向周围扩散， 使器件本身和周围其他元器件处在高温状态下工作. 而高温使元器件电性能恶化， 引起失效， 导致设备可靠性下降.

温度和故障率的关系[3]可以用F=Ae-E/K·T来表示. 其中，F为故障率；Ae为常数；E为功率；K为玻尔兹曼常量；T为结点温度. 可见， 合理的热设计是微波功率放大器可靠性成败的关键， 因此对测量雷达发射功放模块的热设计进行研究.

1 热设计方案

1.1 冷却方式的选择[4-7]

连续波测量雷达是靶场的重要测控装备， 在海岸机动布站使用. 发射天线阵面上， 发射功放模块是主要的发热源， 根据使用环境要求， 确保天线的稳定正常工作， 必须进行合理的散热设计.

常用的冷却方式主要有自然风冷、 强迫风冷和强迫液冷3大类. 自然风冷是最理想的冷却方式， 无需其他辅助设备， 但其冷却能力较低， 适合热流密度较低的场合. 一般情况下， 在热流密度小于0.4 W/cm2时， 可采用强迫风冷. 液体冷却系统相对复杂， 设备量大， 成本高， 但其承受的热流密度大， 散热效率高， 热负载温度梯度小， 适合热流密度较高的场合.

根据连续波雷达的研制经验， 发射功放模块采用强迫风冷能满足散热要求. 但考虑强迫风冷可能对接收系统的影响， 以及海边特殊工作环境对风冷设备的限制， 从提高散热系统的可靠性出发， 确定发射天线散热系统采用自然对流散热. 采用传热热阻低的热管导热方法， 把发射模块热源的热量快速、 均匀地传递到整个散热器片上， 并相应增大外露的散热器的面积， 满足沿海环境条件下的散热要求.

1.2 热管散热方案

为了有效增大散热面积和减少阵面布线， 将4个发射功放模块构成一个组件， 共用一个散热器. 如图 1 所示. 发射模块下部埋设热管， 将热量均匀传递到整个散热器上.

图 1 发射功放组件布局Fig.1 The layout diagram of the emission power amplifier component

1.2.1 功放管热设计

发射模块采用两级放大， 分别采用XP001和SFX005放大器. 其中XP001为带封装的MMIC放大器， SFX005为内匹配GaAsFET管.

1) XP001为微波功率MMIC放大器， 在25 ℃的典型参数为：最大输入功率为17 dBm； 最大工作电压VDS为8 V； 最大工作电流IDS为0.65 A； 功率附加效率η为20%； 热阻Rθ为3.5 ℃/W； 最高沟道温度TDS为+160 ℃.

沟道温升

ΔT=VDS×IDS×(1-η)×Rθ.

(1)

计算得ΔT为14.6 ℃， 则壳体下面的表面温度

T=TDS-ΔT.

(2)

计算得T为145.4 ℃， 为了留有一定的余量， 应保证壳体下面的表面温度不超过+90 ℃， 并采取散热措施. XP001直接用螺钉安装在模块的金属壳体上， 管壳和模块壳体要密封接触， 中间不得有气垫， 并涂导电导热薄膜以降低热阻， 保证工作中壳底面的最高温度不超过+90 ℃.

2) SFX005为内匹配GaAsFET功率管， 在25 ℃的典型参数为： 最大工作电压VDS为8 V； 最大工作电流IDS为2.0 A； 功率附加效率η为32%； 热阻Rθ为4.0 ℃/W； 最高沟道温度为+175 ℃. 根据式(1)计算， 得沟道温升ΔT为43.5 ℃， 根据式(2)计算， 得壳体下面的表面温度T不应超过+131.5 ℃. 为了留有一定的余量， 则应保证壳体下面的表面温度不应超过+90 ℃. SFX005的壳体也应用螺钉直接固定在功放的壳体上， 二者应紧密接触不留气垫， 并涂导电导热薄膜.

综上所述， 为了保证功放管能正常工作， 其温度监测点应设在SFX005的正下方. 管壳表面温度不超过+90 ℃， 对于2个有源器件都是满足要求的， 同时要求电源供电电压稳定.

1.2.2 发射功放组件散热设计

热设计中功放模块按20%工作效率考虑， 则组件上4个模块发热总功率为4×16=64 W. 4个模块共用一个散热器， 散热器尺寸为320×320×45 mm3， 散热器有41个散热片， 排布间距7.8 mm， 因此有效散热面积A约为1.28×106 mm2. 每个模块下采用2根直径8 mm热管导热. 这里计算中忽略热管与散热器片之间的热阻.

换热器的换热方程[8]为

Φ=k·A·Δt,

(3)

式中：Φ为对流换热量， 单位为W；k为换热系数， 单位为W/m2·K；A为有效换热面积， 单位为m2； Δt为流体流经换热器表面的温差， 单位为K.

为留有余量， 取换热系数为5 W/m2·K， 代入实际参数计算得到：在上述条件下工作， 散热器与环境最大温差为10 ℃.

由功放管热计算可知， 模块正常工作时功放管壳表面温度应不超过+90 ℃. 为保证发射阵面可靠工作， 在环境+55 ℃条件下， 假设散热片与模块壳体之间没有热阻， 则散热片与模块壳体温度最高为+65 ℃. 因此管子与模块壳体之间的热阻带来的温升不应超过25 ℃.

2 验证试验

首先制作一个功放模块样件， 模块样件各项性能指标与工作模块相同.

2.1 功放输出功率和工作效率测试

测试条件：输入功率+10 dBm， -9/+9 V供电. 测试结果见表 1.

表 1 输出功率和工作效率测试结果

2.2 功放模块散热试验

测试条件：室温+27 ℃， 散热片尺寸120×110×45 mm3， 工作频率10.5 GHz， 输入功率+10 dBm， 未开风扇采用自然冷却. 测试结果见表 2.

表 2 自然冷却测试结果

从测试结果可以看出， 工作1 h后模块已经达到热平衡. 模块壳体温升比环境约高14 ℃， 功放末级管壳附加温升约为10 ℃. 由此可以推算， 在最高环境温度+55 ℃条件下， 管壳温度约为+79 ℃， 低于管子安全工作+90 ℃的要求. 按照设计方案提出的将4个模块做成组件后， 共用1个散热片， 面积320×320 mm2， 散热有效面积是单个模块的7倍. 因此， 阵面在不开风扇自然散热的情况下工作可以满足要求.

3 结束语

针对海岸使用测量雷达的特点， 发射天线热设计采用自然对流散热， 热阻低的热管导热方法能将发射模块热源的热量快速、 均匀地传递到整个散热器上， 满足沿海环境条件下的散热要求. 根据热控设计方案， 进行了相应的热试验. 试验结果表明， 热设计可以满足雷达环境使用要求. 该测量雷达经3年来的应用， 工作稳定可靠， 证明了雷达天线热设计方案的可行性和正确性.

参考文献：

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[2] 李琴， 刘海东， 朱敏波. 热仿真在电子设备结构设计中的应用[J]. 电子工艺技术， 2006， 27(3)： 165-167.

Li Qing， Liu Haidong， Zhu Minbo. Application of thermal simulation in the structural design of electronic system[J]. Electronics Process Technology， 2006， 27(3)： 165-167. (in Chinese)

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[5] 陈德生， 魏延涛， 常越， 等. 新一代天气雷达系统热设计与技术分析[J]. 电子科技， 2012， 25(7)： 121-124.

Chen Desheng， Wei Yantao， Chang Yue, et al. Thermal design and analysis technique for the new generation weather radar system [J]. Electronic Science and Technology， 2012， 25(7)： 121-124. (in Chinese)

[6] 丁连芬等译校. 电子设备可靠性热设计手册[M]. 北京： 电子工业出版社， 1989.

[7] 余建祖， 谢永奇. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2008.

[8] 赵悖殳， 谢德仁. 电子设备可靠性热设计手册[M]. 北京： 国防科工委军标出版发行部， 1992.