Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки Ка-диапазона с двухступенчатой системой охлаждения

Устройство относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при проектировании и изготовлении активной фазированной антенной решетки (АФАР) Ка-диапазона.
Решаемая задача связана с необходимостью реализации эффективных систем охлаждения малогабаритных многофункциональных радиолокационных систем высокочастотного (Ка) диапазона. С повышением частотного диапазона радиотехнические характеристики (разрешающая способность, точность, помехозащищенность, устойчивость к ионизации атмосферы, дальность обслуживания малоразмерных объектов) радиолокационных систем существенно улучшаются. Однако, повышение частотных диапазонов неизбежно ведет к уменьшению габаритов приемо-передающих модулей (ППМ) АФАР, к уменьшению зазоров между ними и к существенному повышению тепловых потоков, реализующихся в процессе работы ППМ. При этом перегрев активных радиоэлектронных элементов и печатных плат приводит к значительному снижению времени наработки на отказ ППМ АФАР (см. например, Крахин О.И. и др. Методы создания системы отвода тепла теплонагруженных частей ФАР, Радиотехника, 2011, №. 10, С. 88-94).
а
Шаг, с которым ППМ располагают по полотну антенной решетки, может быть рассчитан из условия  = 0,56 λ, где λ - длина волны рабочего диапазона АФАР. Габаритные размеры корпусов ППМ определяются размерами самых крупных элементов - конденсаторов, источников питания, усилителей мощности (Левитан Б.А., Радченко В.П., Топчиев С.А. Мобильная специализированная радиолокационная станция. Радиотехника. 2014. №1. С. 059-064). Зазор между ППМ определяется конструктивным обликом антенного полотна, так как в этом зазоре должны расположиться силовые элементы металлоконструкции, кабельные связи питания и управления, а также элементы системы охлаждения. Шаг решетки, типичные габариты корпусов ППМ и остающиеся зазоры между ними для АФАР различных диапазонов, для которых проблемы теплоотвода стоят особенно остро (S, С, X, Ka) представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 следует, что с увеличением частотного диапазона резко уменьшается зазор между ППМ, и, следовательно, уменьшается расстояние, для размещения системы охлаждения. Для АФАР S-диапазона и для более низкочастотных диапазонов зазор между ППМ составляет более 30 мм, что дает возможность использовать воздушную систему охлаждения. Такие варианты исполнения ППМ защищены патентами RU 97219, RU 175877, JP 3942849, US 8659901 и др.
Для АФАР С-диапазона зазор между ППМ составляет 15-17 мм и эффективное охлаждение таких радиолокационных систем может быть организовано с использованием жидкостных систем, основанных на применении деформируемых или жестких внешних каналов охлаждения (труб), расположенных непосредственно в зазорах между ППМ. Варианты исполнения таких систем охлаждения защищены патентами RU 2564152, U 2615661, US 7940524, US 7508338. В радиолокационных системах большой мощности возникает необходимость дополнительного снижения теплопотерь, реализующихся вследствие наличия контактных термосопротивлений между корпусами ППМ и внешними каналами охлаждения. В таких системах, даже низкочастотных, применяются решения по организации принудительного жидкостного охлаждения корпусов ППМ путем заведения жидкого теплоносителя внутрь стенок корпуса ППМ (патенты RU 2379802, RU 190821, RU 178633, US 7443354). Заведение жидкого теплоносителя непосредственно внутрь корпуса ППМ, по аналогии с мощными электронными вычислительными машинами, является нежелательным для радиолокационных систем, так как может приводить либо к снижению радиотехнических характеристик АФАР, либо вызывать преждевременную коррозию (в зависимости от вида используемого теплоносителя).
Как видно из таблицы 1 для диапазона Ка зазор между ППМ составляет около 1 мм и для размещения элементов теплоотвода в таких системах физически не хватает места. Воздушное охлаждение таких систем возможно только при очень небольшой мощности и, соответственно, невысоких радиотехнических показателях. Использование внешних каналов охлаждения также является затруднительным, так как требует использование каналов толщиной менее 1 мм, которые будут, во-первых, очень податливыми и непрочными из-за малой толщины стенок и, во-вторых, будут приводить к возникновению высоких потерь давления и необходимости использования нестандартного насосного оборудования для прокачивания через них теплоносителя. При реализации идеи заведения жидкого теплоносителя внутрь стенок корпуса ППМ будет возникать аналогичная проблема, при которой толщина внутренних каналов будет очень мала и, следовательно, их изготовление будет затруднительным, а потери давления внутри этих каналов будут очень большими (Токмаков Д.И. и др. Испытание теплового макета корпуса приемопередающего модуля АФАР со встроенными каналами охлаждения, изготовленного с использованием технологии SLM, Радиотехника, №4, 2019).
Таким образом, недостатками известных систем охлаждения АФАР является невозможность их применения для отвода тепла от малогабаритных мощных ППМ высокочастотных диапазонов (Ка и выше). Решение этой проблемы возможно при использовании высокопроводящих теплоотводящих оснований в виде плоских тепловых труб малой толщины, устанавливаемых под печатные платы модулей и используемых для отведения выделяющихся на них тепла в удаленные зоны вне корпуса ППМ. При этом исключается необходимость использования внешних или внутренних каналов жидкостного охлаждения, располагаемых внутри или между стенками корпусов ППМ. Использование плоских тепловых труб позволяет вывести выделяющееся внутри ППМ тепло за предел зоны установки модулей и избежать необходимость организации системы жидкостного охлаждения с толщиной каналов до 1 мм (в зазорах или в стенах корпусов ППМ). В частности, как видно из таблицы 1, при собственной толщине плоской тепловой трубы не более 2 мм, остающееся пространство для установки внешних каналов охлаждения вне зоны расположения ППМ составляет до 3 мм. Таким образом, возможна реализация двухступенчатой системы охлаждения: с использованием плоских тепловых труб на первой ступени для отвода тепла из плотно компонуемых зон установки ППМ во внешние удаленные зоны, и с использованием жидкостной системы охлаждения на второй ступени для снятия тепла в зоне конденсации плоских тепловых труб и дальнейшей передачи тепла во внешнюю среду.
В настоящее время тепловые трубы широко применяются для охлаждения микроэлектроники (патенты US 6710442, CN 201867107, CN 103196116, US 9464849, US 8587943, KR 20150041496), лазеров (патенты RU 2087062, US 8213471, US 9837789, CN 201682172), ядерных реакторов (патенты RU 2650885, RU 2687288), бортовой аппаратуры космических аппаратов (патенты RU 2603690, US 10018426). Применение плоских тепловых труб позволяет реализовываться интенсивное охлаждение мощных тепловыделяющих элементов за счет их высокой эффективной теплопроводности (Деревянко, В.А. и др. Плоские тепловые трубы для отвода тепла от электронной аппаратуры в космических аппаратах. Вестник СибГА У им. академика МФ Решетнева, 2013, 6(52), 111-116), в значительной мере сохраняющейся, в том числе, в условиях действия гравитации и инерционных нагрузок (патенты RU 2457417, US 2457417).
В известных запатентованных решениях для охлаждения элементов радиолокационных систем плоские тепловые трубы используются для решения следующих задач:
1) Для распределения выделяющегося тепла от малоразмерных источников по большей поверхности модуля. В этом случае плоские тепловые трубы располагаются под печатной платой внутри ППМ. В таких решениях зона конденсации (в которой реализуется охлаждение) располагается по всей поверхности тепловой трубы с обратной стороны от установки печатной платы (патенты RU 189664, RU 2605432, US 6639799) или на отдельном выделенном участке с внешней стороны печатной платы (патент RU 2403692).
2) Для отведения тепла за пределы зоны установки печатной платы. В частности, известны патенты, в которых тепловые трубы выходят за пределы печатной платы в зону установки радиаторов воздушного охлаждения, интегрированных с корпусом ППМ (RU 97219, RU 175877).
В качестве прототипа используется патент RU 175877, в котором плоские тепловые трубы, расположенные внутри корпуса ППМ АФАР, используются для отведения тепла из зоны установки радиоэлектронных компонентов в зону охлаждения. Особенностями этого решения являются относительно большие размеры корпуса ППМ и использование воздушного теплообменника, интегрированного с корпусом ППМ (то есть диапазон работы АФАР ниже Ка, см. таблицу 1), а также использование тепловых труб непосредственно сформированных в массиве корпуса модуля АФАР. Указанные особенности не позволяют применять это решения в малогабаритных ППМ АФАР Ка-диапазона.
Основным отличием заявляемой полезной модели ППМ АФАР от прототипа является использование плоских тепловых труб с собственным тонкостенным корпусом (например, медным), выходящих за пределы корпуса ППМ в зону установки внешней жидкостной системы охлаждения. Таким образом решается основная проблема охлаждения модуля Ка-диапазона - необходимость отведения больших мощностей тепловыделения при невозможности размещения каналов жидкостной системы охлаждения внутри или между корпусами ППМ из-за высокой плотности компоновки полотна АФАР. В результате решения этой проблемы повышается эффективность охлаждения радиоэлектронных компонентов ППМ, что, как следствие, приводит к повышению надежности и долговечности системы в целом.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в реализации эффективного охлаждения малогабаритных приемо-передающих модулей, установленных с малым шагом (до 5 мм) по полотну высокомощных АФАР Ка-диапазона, за счет использования плоских тепловых труб, устанавливаемых, одной стороной непосредственно под печатной платой внутри корпуса ППМ, и другой стороной выходящих за пределы корпуса ППМ в зону установки внешнего теплообменника жидкостной системы принудительного охлаждения. Теплообменник внешней жидкостной системы охлаждения может изготавливаться в виде параллельно расположенных стандартных труб (плоскоовального, прямоугольного сечения или др.), либо методами трехмерной печати из металлов, которые позволяют получать изделия с качественной геометрией внутренних каналов толщиной более 2 мм (Solyaev et al. Overmelting and closing of thin horizontal channels in AlSi10Mg samples obtained by selective laser melting, Additive Manufacturing, 2019, №30, 100847).
Заявленный технический результат достигается тем, что ППМ АФАР содержит в себе теплоотводящее основание в виде плоской тепловой трубки толщиной до 2 мм, при этом, на одной части поверхности тепловой трубы размещена печатная плата с радиоэлектронными тепловыделяющими элементами и в плате выполнены отверстия для крепления тепловыделяющих элементов непосредственно на тепловую трубку, кроме этого другая часть поверхности тепловой трубы выходит за пределы корпуса ППМ АФАР и, таким образом, за счет собственной высокой эффективной теплопроводности обеспечивает как выравнивание температуры внутри корпуса ППМ между локально нагреваемыми зонами установки тепловыделяющих элементов (например, усилителей мощности и др.), так и отведение выделяющегося тепла за пределы корпуса ППМ в зону установки теплообменника жидкостной системы охлаждения.
2
Проведенные эксперименты показали эффективность предлагаемой схемы охлаждения ППМ АФАР при плотности теплового потока, выделяющегося внутри ППМ, не менее 80 Вт/см, что обеспечивает возможность реализации эффективного охлаждения перспективных радиолокационных систем Ка-диапазона.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид заявленного ППМ без наружной крышки.
На фиг. 2 изображен блок из заявленных ППМ с радиатором внешней системы жидкостного охлаждения.
Приемо-передающий модуль АФАР включает в себя металлический корпус (позиция 1 на фиг. 1), радиоэлектронную ячейку в виде печатной платы (позиция 2 на фиг. 1), на которой расположены радиоэлектронные элементы (позиция 3 на фиг. ), нагревающиеся в процессе работы АФАР и требующие организации системы охлаждения. ППМ содержит теплоотводящее основание в виде плоской тепловой трубы (ТТ, позиция 4 на фиг. 1) толщиной до 2 мм. Часть поверхности теплоотводящего основания (зона испарения ТТ) располагается непосредственно под печатной платой внутри корпуса ППМ. Другая часть теплоотводящего основания выходит за пределы корпуса ППМ и контактирует с теплообменником внешней системы жидкостного охлаждения, таким образом, что зона конденсации ТТ располагается вне корпуса ППМ (позиция 5 на фиг. 1). Излучатели АФАР располагаются с фронтальной стороны корпуса ППМ (позиция 6 на фиг. 1). ТТ представляет собой плоскую герметичную конструкцию с металлическим корпусом, содержащую слои капиллярно-пористого материала и канал парапровода. ТТ заполнена теплоносителем (вода, аммиак или этанол). Перенос тепла внутри ТТ осуществляется за счет фазовых переходов теплоносителя с испарением в зоне подвода тепла, которая расположена внутри ППМ (позиция 3 на фиг. 1) и с конденсацией теплоносителя вне корпуса ППМ в зоне контакта ТТ с внешним теплообменником (позиция 5 на фиг. 1). Возврат теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения осуществляется фильтрацией внутри капиллярно-пористого материала. Соединение радиоэлектронных элементов, в которых происходит наиболее интенсивное тепловыделение, с поверхностью ТТ осуществляется напрямую при помощи теплопроводной пасты, либо посредством пайки с низкотемпературным припоем. На фиг. 2 изображен вариант реализации охлаждения блока ППМ согласно заявляемой модели. Здесь тепло из каждого ППМ отводится посредством плоской тепловой трубы и передается в теплообменник внешней жидкостной системы охлаждения. Стрелками на фиг.2 показаны входной и выходной патрубки, через которые теплообменник подключается к общему контуру жидкостной системы охлаждения.