0引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)由于其技術(shù)特點(diǎn)而受到普遍重視,成為軍民兩用普遍關(guān)注和重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)全天時(shí)、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(bào)偵察等方面具有獨(dú)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(jī)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(shí)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(dá)等微波設(shè)備中^[4],是星載雷達(dá)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(yùn)輸、發(fā)射、上升以及在軌運(yùn)行各個(gè)階段的熱環(huán)境。熱設(shè)計(jì) 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(jī)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(gè)元器件在測試試驗(yàn)、發(fā)射過程和在軌運(yùn)行過程中滿足標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,保證其結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度,對其印制板的厚度公差進(jìn)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(jì)和熱分析,使其具有良好的導(dǎo)熱路徑,元器件的溫度達(dá)到航天產(chǎn)品使用要求。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與公差分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星載數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮滿足電性能要求,考慮結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能滿足星上力學(xué)要求;同時(shí)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(jì)原則包括:

1)優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì),縮小體積、減輕重量,滿足衛(wèi)星平臺(tái)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(qiáng)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(dòng)等環(huán)境;

3)星內(nèi)電子設(shè)備嚴(yán)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(jì)、電磁兼容、抗輻射、可靠性、安全性、布局及綜合布線等方面進(jìn)行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(jìn)行固定。受重量和體積限制,為保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)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(jì)了直徑為4.5 mm的定位銷作為定位基準(zhǔn),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。考慮到印制板和連接器實(shí)際安裝需要,設(shè)計(jì)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(jì)了許多的散熱凸臺(tái),安裝時(shí)散熱凸臺(tái)與印制板的散熱器件之間需要墊上導(dǎo)熱襯墊,同時(shí)還涂上導(dǎo)熱膠。在蓋板上設(shè)計(jì)了凸筋結(jié)構(gòu),除了起到提高蓋板剛強(qiáng)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?yàn)樾禽d設(shè)備的重量要求很苛刻,在保證電性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jìn)行了適當(dāng)?shù)膲嚎s,并將殼體設(shè)計(jì)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(qiáng)度要求外,在蓋板上設(shè)計(jì)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(gè)方面進(jìn)行分析。

由于數(shù)字前端中印制板與盒體間會(huì)引入導(dǎo)熱襯墊以利于熱傳遞,而為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱襯墊達(dá)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(tái)以及印制板安裝面進(jìn)行公差控制。根據(jù)熱控分析可知,導(dǎo)熱襯墊進(jìn)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(tái)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(jì)采用印制板安裝面與散熱凸臺(tái)之間的總公差為 ± 0.05 mm,根據(jù)公差尺寸計(jì)算可知,導(dǎo)熱襯墊的尺寸公差為±0.05 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

印制板的厚度過大會(huì)造成與連接器探針安裝時(shí)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)與印制板干涉現(xiàn)象,滿足使用要求。

2熱設(shè)計(jì)與熱分析

2.1 熱設(shè)計(jì)要求

某星載數(shù)字前端作為航天電子模塊,其熱設(shè)計(jì)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(jī)械性能指標(biāo),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(jì)

熱設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)殼體,這種散熱通道稱為輻射散熱路徑^[6]。由于單機(jī)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(shí)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(tái)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。熱分析模型主要進(jìn)行了以下幾個(gè)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(shí)進(jìn)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(shí)際相同,這樣通過計(jì)算可得到較為準(zhǔn)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)—?dú)嶙栌?jì)算出結(jié)溫,對未提供結(jié)—?dú)嶙璧脑骷?根據(jù)GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》^[8] 中相應(yīng)封裝的元器件數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)溫度場的分布不會(huì)有影響,簡化后的模型如圖6所示。

該單機(jī)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(jī)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(jī)工況結(jié)果如表1所示,備份開機(jī)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(dá)的重要組成部分,需對其進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析。本文對某數(shù)字前端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),保證其滿足強(qiáng)度要求,并對印制板的厚度公差進(jìn)行了控制,使安裝不會(huì)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(jì)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。

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[8]元器件降額準(zhǔn)則:GJB/Z 35—1993[S].

2024年第16期第8篇