某星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計研究

0引言

合成孔徑雷達(SAR)由于其技術(shù)特點而受到普遍重視,成為軍民兩用普遍關(guān)注和重點發(fā)展的遙感設(shè)備。星載SAR不受氣象和光照條件的限制,能實現(xiàn)全天時、全空域、大面積、高分辨對地觀測,在農(nóng)、林、地質(zhì)、水域等民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,尤其是在軍用測繪、情報偵察等方面具有獨特的優(yōu)勢^[1]。

數(shù)字前端是星載SAR的重要組成部分,其作用是基于軟件無線電收發(fā)機結(jié)構(gòu),采用數(shù)字化處理方式完成接收和發(fā)射鏈路中中頻信號和基帶信號之間的轉(zhuǎn)換^[2—3],真正實現(xiàn)了中頻數(shù)字化、軟件無線電的趨勢,被廣泛應(yīng)用于合成孔徑雷達等微波設(shè)備中^[4],是星載雷達系統(tǒng)中的重要組成部分。

作為安裝在航天器上的電子設(shè)備,要承受運輸、發(fā)射、上升以及在軌運行各個階段的熱環(huán)境。熱設(shè)計 的 目的是利用熱傳遞技術(shù),降低發(fā)熱元器件和部件本身的溫度,使電子設(shè)備整機內(nèi)部溫升降低到所要求的范圍,提高設(shè)備抗溫度應(yīng)力的能力^[5],保證產(chǎn)品的各個元器件在測試試驗、發(fā)射過程和在軌運行過程中滿足標準規(guī)定的溫度降額等級。

本文針對某星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)和熱控進行了設(shè)計與分析,保證其結(jié)構(gòu)具有一定的強度,對其印制板的厚度公差進行了控制,并根據(jù)其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設(shè)計和熱分析,使其具有良好的導(dǎo)熱路徑,元器件的溫度達到航天產(chǎn)品使用要求。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計與公差分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮滿足電性能要求,考慮結(jié)構(gòu)件的機械性能滿足星上力學(xué)要求;同時還要考慮各電路模塊之間的電磁兼容性、各模塊安裝及電裝散熱性能、重量等方面。具體設(shè)計原則包括:

1)優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計,縮小體積、減輕重量,滿足衛(wèi)星平臺對設(shè)備的尺寸和重量的苛刻要求;

2)提高設(shè)備結(jié)構(gòu)剛、強度,以承受各種惡劣力學(xué)環(huán)境,特別是發(fā)射階段的沖擊、振動等環(huán)境;

3)星內(nèi)電子設(shè)備嚴格按照航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)型,從力學(xué)加固、熱設(shè)計、電磁兼容、抗輻射、可靠性、安全性、布局及綜合布線等方面進行工程優(yōu)化設(shè)計。

數(shù)字前端由印制板、殼體、蓋板和擋板組成,外形尺寸268 mm(長)× 167 mm(寬)×32 mm(高),總 重量1 455 g。數(shù)字前端主要以盒體為安裝主體,將數(shù)字前端印制板、蓋板和擋板通過緊固件進行固定。受重量和體積限制,為保證設(shè)計強度,結(jié)構(gòu)件設(shè)計采用2A12—H112鋁合金,數(shù)字前端的三維分解圖如圖1所示。殼體上設(shè)計了直徑為4.5 mm的定位銷作為定位基準,保證安裝相對公差。印制板安裝在殼體內(nèi)部,通過螺釘緊固?？紤]到印制板和連接器實際安裝需要,設(shè)計了擋板結(jié)構(gòu),以方便印制板和連接器的安裝,并能起到較好的電磁屏蔽效果。由于印制板上有大量的散熱器件,為了使這些散熱器件能較好地散熱,殼體上設(shè)計了許多的散熱凸臺,安裝時散熱凸臺與印制板的散熱器件之間需要墊上導(dǎo)熱襯墊,同時還涂上導(dǎo)熱膠。在蓋板上設(shè)計了凸筋結(jié)構(gòu),除了起到提高蓋板剛強度的作用外,還起到了與殼體配合形成電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的作用。

因為星載設(shè)備的重量要求很苛刻,在保證電性能和結(jié)構(gòu)強度以及抗輻照的前提下,對金屬結(jié)構(gòu)件采取了減重措施。殼體上除了留出足夠的空間用于安裝連接器外,對殼體的腔高進行了適當(dāng)?shù)膲嚎s,并將殼體設(shè)計成階梯形狀,以有效減小殼體的重量。對于蓋板,除了留出必要的厚度以滿足結(jié)構(gòu)強度要求外,在蓋板上設(shè)計了大量的減重槽。最終金屬結(jié)構(gòu)件可以減重約27%。

1.2 公差分析

印制板厚度方向的安裝公差與芯片散熱、連接器裝配有很大的相關(guān)性,所以要從兩個方面進行分析。

由于數(shù)字前端中印制板與盒體間會引入導(dǎo)熱襯墊以利于熱傳遞,而為實現(xiàn)導(dǎo)熱襯墊達到最優(yōu)的傳熱效果,必須保證壓縮量控制在10%~30%之內(nèi),因此有必要對盒體的凸臺以及印制板安裝面進行公差控制。根據(jù)熱控分析可知,導(dǎo)熱襯墊進行熱傳遞,厚度為1.016 mm,由于壓縮量必須控制在10%~30%之內(nèi),因此要求導(dǎo)熱襯墊的安裝公差必須處于 ±0.1 mm內(nèi)。由于殼體散熱凸臺是在測量出了安裝在印制板上芯片的高度后再加工的,且本設(shè)計采用印制板安裝面與散熱凸臺之間的總公差為 ± 0.05 mm,根據(jù)公差尺寸計算可知,導(dǎo)熱襯墊的尺寸公差為±0.05 mm,滿足設(shè)計要求。

印制板的厚度過大會造成與連接器探針安裝時的干涉,因此也要控制印制板的厚度。殼體上射頻連接器JSSMA-KFD5602安裝孔位尺寸和連接器本體 尺寸如圖2和圖3所示。

印制板厚為2.1 mm,公差±7%(±0.147 mm),射頻連接器邊沿距離印制板的最小距離為:

2.45-2.1-0.5/2+(4.7-4.6)/2=

0.15 mm>0.147 mm   (1)

因此,在安裝連接器JSSMA-KFD5602時不會出現(xiàn)與印制板干涉現(xiàn)象,滿足使用要求。

2熱設(shè)計與熱分析

2.1 熱設(shè)計要求

某星載數(shù)字前端作為航天電子模塊,其熱設(shè)計要求如下:

1)考慮到元器件合理的安裝方式和散熱措施,尤其是功率器件,在任何模式下,元器件的工作溫度不超過I級降額要求。

2)散熱措施須符合電子設(shè)備的電性能和機械性能指標,滿足尺寸、重量、電磁兼容、抗輻照等產(chǎn)品規(guī)范要求及安全性、可靠性、可維修性等六性要求。

2.2 熱設(shè)計

熱設(shè)計直接關(guān)系到電子設(shè)備的長壽命和高可靠性,必須采取合適的散熱措施使電子設(shè)備內(nèi)元器件的工作溫度不超過I級降額要求。單機的散熱途徑主要有兩條:元器件的一部分熱量通過印制板傳給單機殼體,直接安裝在殼體上的元器件,熱功耗通過接觸導(dǎo)熱直接傳給單機殼體,這種散熱通道稱為導(dǎo)熱散熱路徑;也有一部分熱功耗通過元器件外表面向外輻射,最終傳給單機殼體,這種散熱通道稱為輻射散熱路徑^[6]。由于單機內(nèi)部溫差較小,熱傳導(dǎo)比熱輻射效果明顯,散熱路徑以導(dǎo)熱散熱路徑為主。

該數(shù)字前端熱耗分布如 圖4所示 ,總熱耗為44.98 W,其中D1、D3、D4、D5、D6、N5、N7、D13、D14、D15、D19、D20、D21、D22是主通道,其余器件是備通道,采用冷備份,主備通道不同時開電。

數(shù)字前端立式安裝于天線陣面有源安裝板,熱量通過殼體地面?zhèn)鲗?dǎo)至天線有源安裝板。大功率元器件均通過盒體凸臺接觸散熱,為了降低接觸熱阻,接觸面墊導(dǎo)熱襯墊,并保證10%~30%的壓縮量。

數(shù)字前端以殼體底板為安裝面和散熱面,安裝面平面度優(yōu)于0.1,粗糙度優(yōu)于3.2,接觸面使用導(dǎo)熱硅脂減小接觸熱阻。殼體材料采用高熱導(dǎo)率的鋁合金2A12,元器件熱量通過殼體向安裝底面?zhèn)鲗?dǎo),為了增強殼體傳熱效率,殼體厚度不低于3.5 mm,且盒體圖5所示區(qū)域不能有減輕槽。

此外,要求外表面(除安裝面外)噴涂了E51—M熱控黑漆,保證其半球反射率εh ≥0.85,以強化天線陣面各設(shè)備之間的輻射換熱。

2.3 熱分析

采用NX軟件作為分析工具,該軟件可以從電子設(shè)備的環(huán)境層、系統(tǒng)層、電路板及部件層直至芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層等各種不同層次對系統(tǒng)散熱、溫度場進行準確的定量分析。熱分析模型主要進行了以下幾個方面簡化^[7]:

1)在結(jié)構(gòu)方面,模型中忽略了螺釘孔、倒角、接插件等特征。

2)該設(shè)備與其他設(shè)備主要通過電纜連接,電纜導(dǎo)熱性能相對較差,因此仿真分析中可以忽略其他設(shè)備對該設(shè)備的影響。

3)由于元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在建模時進行了一定的簡化,根據(jù)元器件的主體材料,將元器件假定為陶瓷塊,保證其尺寸及散熱面積與實際相同,這樣通過計算可得到較為準確的元器件外殼溫度。得到元器件外殼溫度后,根據(jù)器件結(jié)—殼熱阻計算出結(jié)溫,對未提供結(jié)—殼熱阻的元器件,根據(jù)GJB/Z 35—1993《元器件降額準則》^[8] 中相應(yīng)封裝的元器件數(shù)據(jù)進行估算。

4)熱分析中忽略了元器件之間的輻射傳熱,僅考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

分析模型適當(dāng)簡化刪除一些幾何特征有利于提高熱分析精度,對整個溫度場的分布不會有影響,簡化后的模型如圖6所示。

該單機在軌階段工作溫度范圍為-40~55℃ ,選取在軌工作高溫55℃作為熱分析工況,分機內(nèi)部元器件結(jié)溫應(yīng)滿足I級降額要求。

熱分析邊界條件描述如下:

1)安裝面定溫55℃ ;

2)周圍環(huán)境定溫55℃。

針對當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)開展了熱分析,在高溫55 ℃情況下,主份開機工況結(jié)果如表1所示,備份開機工況結(jié)果如表2所示,元器件結(jié)溫滿足I級降額要求。

3 結(jié)束語

數(shù)字前端作為合成孔徑雷達的重要組成部分,需對其進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析。本文對某數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,保證其滿足強度要求,并對印制板的厚度公差進行了控制,使安裝不會出現(xiàn)干涉。此外,根據(jù)其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設(shè)計和熱分析,確保其具有良好的導(dǎo)熱路徑,所使用的元器件高溫工況下結(jié)溫符合溫度I級降額要求。

[參考文獻]

[1]朱良,郭巍,禹衛(wèi)東.合成孔徑雷達衛(wèi)星發(fā)展歷程及趨勢分析[J].現(xiàn)代雷達,2009,31(4):5-10.

[2]李春雨.TD-LTE分布式基站多天線射頻拉遠單元數(shù)字前端的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2011.

[3] XILINX.TD-SCDMA DigitalFront-EndDesignDescrip- tion[Z].MultipleAccessCommunicationsLtd,2008.

[4]趙國棟,郭德淳.基于FPGA的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與品,2006(1):43-44.

[5]丁小東.電子設(shè)備的熱設(shè)計[J].環(huán)境技術(shù),2001,19(3):21-23.

[6] 呂慎剛,江守利.星載微組裝T/R組件的封裝設(shè)計[J].電子機械工程,2023,39(3):44-48.

[7]孫遠濤,謝標,馮明揚.考慮熱環(huán)境下某數(shù)字陣列模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱設(shè)計[J].機械與電子,2018,36(1):7-9.

[8]元器件降額準則:GJB/Z 35—1993[S].

2024年第16期第8篇