Корпус приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки, изготовленной методом послойного лазерного синтеза

Устройство относится к антенной технике, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР).
Основной элементной базой приемо-передающих модулей АФАР являются монолитные интегральные схемы на кристаллах. Достигаемый уровень мощности усилителей на кристаллах составляет в среднем 10 Вт.КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет порядка ~ 25%, это означает, что ~ 75% подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому проблема отвода тепловой мощности от основного активного элемента АФАР - приемопередающего модуля, является актуальной, особенно для систем, работающих в высокочастотных диапазонах, в которых расстояния между соседними ППМ, установленными на антенном полотне, составляет не более нескольких сантиметров и требует организации сложных систем терморегулирования.
Известно большое разнообразие патентов, которые защищают способы обеспечения интенсивного отвода тепла с поверхностей корпусов приемо-передающих модулей, входящих в состав АФАР. В современных системах преимущественно используется жидкостное охлаждение (RU 2615661, RU 2564152, RU 164624, RU 166198, US 7940524, US 7443354, US 7508338) и воздушное охлаждение (RU 97219, JP 3942849, US 8659901). Недостатком существующих систем охлаждения является сложность и высокая стоимость обеспечения интенсивного отведения выделяющегося тепла в мощных АФАР, в которых требуется либо подведение внешних каналов, по которым протекает охлаждающая жидкость, к наружным стенкам ППМ (RU 2615661, RU 2564152), либо заведения каналов охлаждения внутрь корпуса (RU 2379802). В первом случае сложно обеспечить необходимое качество контакта между стенками корпусов и охлаждающими каналами, особенно в условиях длительной работы системы и многократных включениях/выключениях системы, приводящей к соответствующей циклической механической нагрузке элементов системы охлаждения (Крахин О.И., Радченко В.П., Венценосцев Д.Л; Методы создания системы отвода тепла теплонагруженных частей ФАР. «Радиотехника», 2011, №10). Во втором случае, проблемой становится изготовление оптимальной геометрии охлаждающих каналов, заводимых внутрь корпусов, которые при использовании традиционных технологий (фрезерование, сварка) существенно повышают стоимость изготовления ППМ, а, в некоторых случаях, не могут быть выполнены принципиально из-за существующих технологических ограничений. Решение этой проблемы, однако, может быть получено при использовании аддитивных технологий.
В настоящее время известно большое количество запатентованных методик изготовления охлаждаемых пресс-форм и литьевых форм (WO 2017031496, WO 2015162585, US 20150137412), лопаток турбин (US 9175568, WO 2013124314), радиаторов и теплообменников (CN 104028758, CN 104289712, CN 104768356) со встроенными внутренними каналами охлаждения, получаемые с использованием технологий трехмерной печати и, в частности, методом послойного лазерного синтеза из металлов. За последние несколько лет имеет место значительный рост разработок, относящихся к области применения технологий трехмерной печати для изготовления теплообменных устройств со сложными рационально выбранными системами внутренних каналов охлаждения (Norfolk М., Johnson Н. Solid-state additive manufacturing for heat exchangers //JOM. - 2015. - T. 67. -№. 3. - C. 655-659; Conformal cooling: How AM is increasing efficiency and quality in the injection moulding industry. Metal Additive Manufacturing. 2018, Vol.4 No. 3, 137-143 p.).
Однако, в настоящее время отсутствуют разработки, защищающие технологии изготовления ППМ АФАР со встроенными каналами охлаждения и изготавливаемые с использованием аддитивных технологий. Особенностью таких изделий является сложность при выборе оптимальной геометрии каналов охлаждения, которая должна обеспечить достаточный уровень интенсивности теплоотведения при невысоких потерях давления (на входе/выходе) из канала охлаждения ППМ, что позволит использовать стандартное насосное оборудование, применяемое для жидкостного охлаждения радиолокационных систем. Другой особенностью является то, что выбранная геометрия каналов охлаждения должна быть реализуема на установках для послойного лазерного синтеза изделий из металлов с точки зрения возможности прочистки каналов от металлического порошка и обеспечения хорошего качества геометрии получаемых изделий без существенных поводок и остаточных напряжений.
Прототипом настоящей полезной модели является корпус ППМ АФАР (RU 128791), Согласно патенту ППМ содержит корпус и расположенную в нем радиоэлектронную ячейку с несущей печатной платой с радиоэлектронными элементами. ППМ охлаждается с использованием внешних каналов, прилегающих к наружным поверхностям корпусов ППМ АФАР под действием нагнетаемого давления охлаждающей жидкости. Недостатком такой системы является сложность снижения тепловых сопротивлений и увеличения площади контакта, реализующихся на границе контакта внешних каналов охлаждения с охлаждаемыми поверхностями ППМ, что может приводить к нежелательному перегреву активных элементов ППМ и снижению надежности и долговечности АФАР.
Одной из основных целей настоящей полезной модели являются разработка унифицированной базовой конструкции корпуса приемо-передающего модуля, учитывающей как особенности переноса тепла от теплонагруженных элементов в зависимости от расположения СВЧ-элементов в модуле, так и технологические особенности процессов аддитивного производства изделий из металлов.
Техническим результатом является обеспечение возможности изготовления методом послойного лазерного синтеза корпусов ППМ АФАР с внутренними охлаждающими каналами оптимальной формы, которая позволяет обеспечить эффективное охлаждение активных компонентов ППМ АФАР и, в целом, повысить надежность и долговечность АФАР.
Заявленный технический результат достигается тем, что корпус приемо-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР), изготовленный методом послойного лазерного синтеза, включающий в себя закрытый металлический короб с разъемами под установку печатной платы и элементов ППМ, отличающийся тем, корпус изготовлен методом послойного лазерного синтеза, при этом канал охлаждения выполнен внутри корпуса, на стенке короба, противоположной стенке с разъемами; от входного отверстия прямой участок канала охлаждения проходит к части корпуса, предназначенной для размещения наиболее мощных СВЧ-элементов ПММ с самым активным тепловыделением, далее канал выполнен в виде змеевидного участка, проходящего к выходному отверстию, при этом канал имеет шестигранную форму поперечного сечения с максимальной шириной в центре канала 5-30 мм, с шириной оснований 4-25 мм и высотой 3-6 мм, толщина стенок канала составляет 0.5-1.5 мм, кроме того, внутри канала в областях корпуса, предназначенных для размещения наиболее мощных СВЧ-элементов ПММ, выполнены дополнительные перегородки; в области входного и выходного отверстий канала охлаждения расположены фитинги для крепления корпуса к внешним элементам системы охлаждения; на корпусе располагаются ребра жесткости.
Дополнительные перегородки имеют цилиндрическую форму в центральной части диаметром до 2 мм и расширяются в области контакта с верхней и нижней поверхностью канала до диаметра 5 мм, при этом расстояние между перегородками составляет не менее 1 мм.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведено изображение корпуса приемо-передающего модуля АФАР с разъемами под установку радиоэлектронных компонентов.
На фиг. 2 приведено изображение обратной стороны корпуса приемо-передающего модуля АФАР, по которой проходит канал охлаждения.
На фиг. 3 приведено поперечное сечение канала охлаждения.
На фиг. 4 приведено изображение перегородок-колонн, располагаемых внутри канала охлаждения.
Корпус приемо-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР), включающий в себя металлический короб с разъемами под установку печатной платы и элементов ППМ (позиция 1 на фиг. 1) и внутренний канал охлаждения, проходящий по противоположной стороне корпуса (позиция 2 на фиг. 2). Корпус ППМ изготовлен методом послойного лазерного синтеза. Прямой участок канала охлаждения проходит от входа (позиция 3 на фиг.2) в корпус непосредственно к противоположной части корпуса (позиция 4 на фиг. 2) к расположению активных СВЧ-элементов, в которых происходит наиболее интенсивное тепловыделение, и далее в виде змеевидного участка проходит по всей поверхности корпуса к выходному отверстию (позиция 5 на фиг. 2). Канал имеет шестигранную форму поперечного сечения с максимальной шириной в центре канала 5-30 мм, с шириной оснований 4-25 мм и высотой до 6 мм (фиг. 3). Толщина стенок канала составляет 0.5-1.5 мм. Внутри канала под СВЧ-элементами, в которых происходит наиболее активное тепловыделение, располагаются дополнительные перегородки в виде колонн диаметром 2-5 мм (позиция 7 на фиг. 4), обеспечивающие интенсификацию теплоотдачи с поверхности модуля к охлаждающей жидкости. Перегородки имеют цилиндрическую форму в центральном поперечном сечении канала и расширяются в области контакта с верхней и нижней поверхностью канала, что обеспечивает дополнительную интенсификацию теплоотвода от греющихся элементов ППМ при сохранении возможности легкой прочистки канала от порошка после изготовления. Расстояние между перегородками составляет не менее 1 мм для обеспечения возможности прочистки канала от порошка после изготовления. Дополнительно, посередине между расположением греющихся элементов, внутри канала устанавливается по две колонны, обеспечивающих ускорение течения охлаждающей жидкости (позиция 8 на фиг.4). Для обеспечения необходимого уровня шероховатости поверхности корпус ППМ после изготовления подвергается механической обработке, для чего в геометрии синтезируемого изделия закладываются припуски до 0.2 мм. К внешним элементам системы охлаждения корпус подключается посредством фитингов, располагаемых в области входного и выходного отверстий канала охлаждения. На обратной стороне корпуса располагаются ребра жесткости (позиция 6 на фиг. 2), обеспечивающие жесткость конструкции и возможность установки печатной платы ППМ посредством винтового соединения. Суммарное тепловыделение корпуса составляет 90 Вт.
Примером осуществления полезной модели является корпус ППМ, представленный на фиг. 1 и 2, в котором поперечное сечение канала имеет размеры 25 мм в широкой части, 20 мм в узкой части и высоту 4 мм. Диаметр перегородок в канале составляет 2 мм в центральной части канала и 5 мм у оснований. При суммарном тепловыделении 90 Вт и работе системы охлаждения с расходом 5 л/мин, при температуре окружающей среды до 50°С температура основных элементов в данном ППМ не превышает 75°С, что является приемлемым уровнем нагрева для надежной и долговечной эксплуатации модуля в составе мобильных радиолокационных систем.
Таким образом, в настоящей полезной модели корпус ППМ имеет встроенный канал охлаждения, по которому в процессе работы АФАР подается охлаждающая жидкость. Корпус полностью изготовлен методом послойного лазерного синтеза. Канал охлаждения проходит вдоль широкой плоскости корпуса с противоположной стороны от места установки радиоэлектронной ячейки. Входные/выходные отверстия канала подключаются к внешней системе охлаждения посредством резьбовых соединений. Геометрия канала обеспечивает эффективное охлаждение активных СВЧ-элементов приемо-передающего модуля. В процессе работы АФАР из каждого элемента выделяется тепловая энергия, которая передается через внутренний канал охлаждения во внешний теплообменник и затем сбрасывается в окружающую среду. При прохождении через корпус ППМ, рабочая жидкость подается по внутреннему каналу охлаждения, в первую очередь, в зону расположения наиболее мощных СВЧ-элементов (транзисторов), находящихся в передней части ППМ, и охлаждая их, проходит далее к зонам расположения вторичных элементов, в которых тепловыделение существенно меньше. Внутри канала располагаются дополнительные перегородки, обеспечивающие интенсификацию теплоотдачи с поверхности модуля к охлаждающей жидкости.
Основной особенностью предлагаемой полезной модели является наличие встроенного канала охлаждения, проходящего под греющимися активными элементами ППМ АФАР. Геометрия канала выбрана таким образом, чтобы корпус мог быть изготовлен на стандартных установках для послойного лазерного синтеза изделий из металлов с возможностью легкой прочистки канала от порошка металла, остающегося после синтеза, без его запекания и без возникновения существенных остаточных деформаций основных рабочих поверхностей модуля. Выбранная геометрия канала обеспечивает высокий уровень интенсивности охлаждения ППМ при стандартных параметрах (напор, расход) работы гидравлической системы, которые могут быть реализованы с использованием типового насосного оборудования, применяемого в составе мобильных радиолокационных станций. Техническим результатом является обеспечение возможности изготовления корпусов ППМ АФАР с охлаждающими каналами оптимальной формы, которая позволяет обеспечить эффективное охлаждения активных компонентов ППМ АФАР и, в целом, повысить надежность и долговечность АФАР.