КОРПУС МОДУЛЯ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Техническое решение относится к области радиолокационной техники, в частности, к активным фазированным антенным решеткам (АФАР).
Известны приемные, передающие и приемопередающие модули с несколькими идентичными каналами в одном корпусе. Как правило, такие конструкции позволяют решать задачи экономии в отношении массогабаритных характеристик модулей и всей системы АФАР. Особенно это актуально применительно к системам, требующим использования мощных передающих устройств.
Так, известен «Блок приемопередающих модулей активной фазированной антенной решетки», по патенту Российской Федерации №2379802, от 20.01.2010 г., МПК H01Q 21/00, H01Q 3/26 - [1], содержащий корпус с теплоотводящим основанием, выполненный в виде прямоугольной металлической пластины, и, установленные на теплоотводящем основании корпуса симметрично относительно ее продольной оси, четное число независимых приемопередающих каналов и блок управления, при этом, допуски на изготовление стороны блока АФАР и прилегающего к нему теплоотводящего основания соответствуют плотной посадке.
Недостатком известного устройства [1] является то, что расположение в нем четного числа независимых приемопередающих каналов произведено на одной стороне теплоотводящего основания, что существенно снижает функциональные возможности модуля (блока) АФАР и область его применения.
Кроме того, в известном устройстве [1], как и у многих других, при передаче выделяемой на СВЧ-узлах приемопередающих каналов теплоты в теплоотводящее основание, существует проблема уменьшения температурного сопротивления между СВЧ-узлами и теплоотводящим основанием. Повышенное вышеуказанное температурное сопротивление может привести к перегреву СВЧ-узлов и выходу их из строя. Для решения данной проблемы, а именно для уменьшения теплового сопротивления, исключения перегрева СВЧ-узлов и выхода их из строя, возможно использование теплопроводных прокладок.
Так, например, известна «Теплопроводная прокладка» под полупроводниковый прибор по патенту Российской Федерации №2172538, от 20.08.2001 г., МПК H01L 23/34, H01L 23/36 - [2], включающая два внешних металлических слоя, клеящий слой, дополнительный слой из терморасширенного графита, два эластичных слоя и второй клеящий слой, при этом в середине расположен слой терморасширенного графита, с двух сторон которого нанесены клеящие слои, на каждый из которых уложен эластичный слой с напиленным на него с внешней стороны слоем металла.
Однако, «Теплопроводная прокладка» [2] также обладает недостаточно малым тепловым сопротивлением. Наименьшим тепловым сопротивлением обладают теплопроводные прокладки из алмаза, как например, в «Мощном полупроводниковом приборе» по патенту Российской Федерации №2253922, от 27.09.2004 г., МПК H01L 23/40 - [3], в котором кристалл, выделяющий теплоту, через теплопроводящие прослойки, выполненные из алмаза, монтируется прижимными металлическими контактными площадками. Но основным недостатком алмазных теплопроводных прослоек по [3], является их очень высокая стоимость, что делает экономически неоправданным изготовление таких приборов.
Известно также изготовление теплопроводных прослоек из поликристаллического алмаза, как например в «Мощной микрополосковой нагрузке» по полезной модели Российской Федерации №81850, от 20.10.2008 г., МПК Н01Р 1/26 - [4], которая содержит пластину из поликристаллического алмаза, на нижней стороне которого напилена медная пленка, необходимая для пайки пластины к медному основанию, а на верхней стороне которой располагается резистивная структура, причем отвод тепла от резисторов производится через пластину из поликристаллического алмаза, припаянную к медному основанию, без использования диэлектрической подложки.
Недостатком известного устройства [4] также является сравнительно большая стоимость теплопроводной прокладки, что существенно удорожает производство.
Сравнительно меньшей стоимостью обладает высокотеплопроводный материал: «Композиционный материал» по патенту Российской Федерации №2206502, от 20.06.2003 г., МПК С01В 31/06, С01В 31/36, С04В 35/52 - [5], содержащий алмазные зерна в матрице из карбида кремния и кремния, причем указанные компоненты в композиционном материале присутствуют в следующем соотношении об.%: зерна алмаза 50-85, кремний 2-42, карбид кремния 1-48, и при этом содержание зерен алмаза размером более 40 мкм составляет не менее 25% от общего содержания алмаза в материале. Но, в тоже время, неизвестно применение такого материала [5] в качестве теплопроводных прокладок для передачи теплоты от СВЧ-узлов приемопередающих каналов в теплоотводящее основание АФАР.
Известна система теплоотвода, осуществленная в «шкафу радиоэлектронной аппаратуры» по патенту Российской Федерации №2338345, от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20 - [6], содержащая установленные в модульной структуре в ней электронные тепловыделяющие блоки. Для отведения от тепловыделяющих блоков теплоты применены пластины, выполненные из высокотеплопроводного материала, которые приведенные в тепловой контакт с тепловыми трубами, в области зон испарения тепловых труб. Зоны конденсации тепловых труб контактируют с задней стенкой шкафа (корпуса), являющимся теплоотводом, выполненным из высокотеплопроводного материала, и содержащим кожух для создания канала системы принудительного воздушного охлаждения.
Однако, не известно применение представленной организации системы теплоотвода по конструкции [6] для отведения теплоты от СВЧ-узлов приемопередающих каналов в АФАР-ах, а ее простое копирование (системы теплоотвода по [6]) невозможно без учета особенностей и характеристик конкретной АФАР.
Прототипом заявляемого технического решения является «Модуль активной фазированной антенной решетки», по патенту Российской Федерации №2380803, от 27.01.2010 г., МПК H01Q 21/00 - [7], содержащий корпус с теплоотводящим основанием, зоной теплоотвода, и двумя радиопрозрачными крышками, а также установленные на теплоотводящем основании корпуса, четырьмя независимыми приемопередающими каналами и блоком управления, все СВЧ-узлы приемопередающих каналов, а также индивидуальные узлы управления каждого канала образуют конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, при этом общие узлы управления, питания и защиты размещены в средней части модуля и имеют несимметричную конструкцию, а в теплоотводящим основании корпуса находятся каналы жидкостного охлаждения и соединительные штуцера для подключения к внешней жидкостной системе охлаждения.
Недостатком прототипа [7], является наличие в нем внешней жидкостной системы охлаждения, которая не позволяет быстро (в полевых условиях) заменить вышедшие из строя модули АФАР.
Указанные недостатки ставят задачу создания корпуса модуля АФАР с высокоэффективным охлаждением СВЧ-узлов приемопередающих каналов, расположенных на его теплоотводящем основании. При этом, должна реализоваться возможность быстрой замены модулей. Кроме того, стоит задача повышения функциональных возможностей модуля АФАР, и расширения области его применения путем повышения количества приемопередающих каналов с СВЧ-узлами, расположенных на одном теплоотводящем основании корпуса модуля АФАР.
Поставленная задача решается тем, что в корпусе модуля АФАР, содержащим теплоотводящее основание, зону теплоотвода, установочные места на теплоотводящем основании корпуса четного числа СВЧ-узлов независимых приемопередающих каналов, блока питания и управления, все СВЧ-узлы приемопередающих каналов, и индивидуальные узлы управления каждого канала образуют конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, при этом общие узлы управления, питания и защиты размещены в средней части модуля и имеют несимметричную конструкцию, теплоотводящее основание и зона теплоотвода, состоят из двух половин, симметричных относительно продольной плоскости, и, на герметично соединяемых поверхностях имеют продольные полусферические каналы, в которых с тепловым контактом (плотно) установлены тепловые трубы 7, зоны испарения которых расположены в теплоотводящем основании под местами размещения приемопередающих каналов, зоны конденсации - в теплоотводе, который с внешних сторон снабжен радиаторами воздушного охлаждения, а под местами расположения четного числа независимых приемопередающих каналов и блока управления установлены тонкие пластины из композитного материла, состоящего из зерен алмаза, кремния и карбида кремния, площадь которых в 5÷10 раз превышает площадь тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов. При этом, тепловые трубы в полусферических каналах теплоотводящего основания и теплоотвода могут быть установлены при помощи теплопроводящей пасты или при помощи мягкого низкотемпературного припоя.
Введение признака «теплоотводящее основание и зона теплоотвода состоит из двух половин, симметричных относительно продольной плоскости» необходимо для возможности установки в корпусе тепловых труб, для организации высокоэффективного теплоотвода от тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов, при исключении из корпуса модуля жидкостной системы охлаждения.
Введение признака «герметично соединяемых поверхностей двух половин теплоотводящего основания и зоны теплоотвода корпуса модуля» необходимо для исключения попадания в него влаги и пыли, которые могут нарушить условия работы модуля в целом, и, в частности, его системы теплоотвода.
Введение признака «на соединяемых поверхностях двух половин теплоотводящего основания и зоны теплоотвода имеются продольные полусферические каналы» необходимо для существенного увеличения поверхности теплового контакта теплоотводящего основания корпуса с зонами испарения тепловых труб (при этом уменьшается тепловое сопротивление), а также для уменьшения толщины теплоотводящего основания с зоной теплоотвода корпуса модуля и снижения его габаритных размеров.
Введение признака «в полусферических каналах с тепловым контактом (плотно) установлены тепловые трубы, зоны испарения которых расположены в теплоотводящем основании под местами размещения приемопередающих каналов, зоны конденсации - в теплоотводе» необходимо для уменьшения контактного теплового сопротивления между теплоотводящим основанием корпуса и зонами испарения тепловых труб, а также организации системы высокоэффективного теплоотвода от тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов к зоне теплоотвода корпуса модуля.
Введение признака «зона теплоотвода корпуса модуля с внешних сторон снабжена радиаторами воздушного охлаждения» необходимо для организации общей для всех модулей АФАР системы принудительного воздушного охлаждения и ее существенной интенсификации.
Введение признака «под местами расположения четного числа независимых приемопередающих каналов и блока управления установлены тонкие пластины из композитного материла, состоящего из зерен алмаза, кремния и карбида кремния, площадь которых в 5÷10 раз превышает площадь тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов», необходимо для более равномерного распределения (уравнения) выделяемой СВЧ-узлами приемопередающих каналов теплоты по поверхности пластины из композитного материала и, далее, отвода этой теплоты к теплоотводящему основанию корпуса. При этом исключается перегрев СВЧ-узлов приемопередающих каналов. И, в этом случае, коэффициент теплопередачи увеличивается в 2÷3 раза, по сравнению с работой модуля без пластин из композитного материала.
Введение признака «тепловые трубы в полусферических каналах теплоотводящего основания с зоной теплоотвода могут быть установлены при помощи теплопроводящей пасты» необходимо для уменьшения контактного теплового сопротивления между внутренними полусферическими поверхностями теплопроводящего основания корпуса и тепловыми трубами по всей их длине.
Введение признака «тепловые трубы в полусферических каналах теплоотводящего основания с зоной теплоотвода могут быть установлены при помощи мягкого низкотемпературного припоя» необходимо для уменьшения контактного теплового сопротивления между внутренними полусферическими поверхностями теплопроводящего основания с корпуса и тепловыми трубами по всей их длине. При этом, ввиду увеличенной теплопроводности мягкого низкотемпературного припоя по сравнению с теплопроводной пастой на 2÷3 порядка, также, на столько же, уменьшается контактное тепловое сопротивление соединения и, дополнительно, обеспечивается требуемая герметичность соединения двух половин теплопроводящего основания с зоной теплоотвода корпуса.
На фиг.1 представлено заявленное техническое решение: схема корпуса модуля АФАР; на фиг.2 - корпус модуля активной АФАР в открытом виде; на фиг.3 - корпус модуля активной фазированной антенной решетки в сборе с разрезами, в том числе, тепловых труб; на фиг.4 - фотография корпуса модуля активной фазированной антенной решетки в сборе.
Корпус модуля АФАР с теплоотводящим основанием и зоной теплоотвода состоит из двух половин 1, 2 (теплоотводящего основания) и 3, 4 (теплоотвода) соответственно, симметричных относительно продольной плоскости. Причем половина корпуса из теплоотводящего основания 1 и теплоотвода 3 являются одной деталью, также, как и половина корпуса из теплоотводящего основания 2 и теплоотвода 4. На герметично соединяемых поверхностях теплоотводящее основание 1, 2 с зоной теплоотвода 3, 4 имеет продольные полусферические каналы 5, 6, в которых с тепловым контактом (плотно) установлены тепловые трубы 7, зоны испарения 8 которых расположены в теплоотводящем основании 1, 2 под местами размещения приемопередающих каналов, зоны конденсации 9 - в теплоотводе 3 и 4, которий с внешних сторон снабжен радиаторами воздушного охлаждения 10 и 11. Под местами расположения четного числа независимых приемопередающих каналов и блока управления и питания установлены пластины 12 (тонкие) из композитного материла с высокой теплопроводностью, и состоящего из зерен алмаза, кремния и карбида кремния. Площадь пластин из композитного материала в 5÷10 раз превышает площадь тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов. Тепловые трубы в полусферических каналах корпуса установлены при помощи теплопроводящей пасты или мягкого низкотемпературного припоя 13. В корпусе модуля АФАР, на его теплоотводящем основании 1 и 2, расположено (на рисунках не показаны) четное число независимых приемопередающих каналов, а также блок питания и управления. Все СВЧ-узлы приемопередающих каналов, а также индивидуальные узлы управления каждого канала, образуют конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, при этом общие узлы управления, питания и защиты размещены в средней части модуля и имеют несимметричную конструкцию.
Работа модуля АФАР с заявляемым корпусом заключается в следующем:
Размещенные на симметричных относительно продольной плоскости двух половинах 1 и 2 теплоотводящего основания с зоной теплоотвода 3, 4 корпуса модуля тепловыделяющие СВЧ-узлы приемопередающих каналов, а также блок питания и управления, при работе модуля АФАР выделяют теплоту, которая первоначально отводится к пластинам 12 из композитного материла, состоящего из зерен алмаза, кремния и карбида кремния, и, ввиду очень высокой теплопроводности пластин 12 происходит их равномерный нагрев (уравнение их температуры) по всей поверхности (пластин 12). Далее отвод теплоты от пластин 12 осуществляется теплопроводностью к половинкам теплоотводящего основания 1 и 2 корпуса. При этом коэффициент теплопередачи от тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов до теплоотводящего основания 1 и 2 корпуса увеличивается в 2÷3 раза по сравнению с работой корпуса модуля без пластин 12 из композитного материала, что исключает перегрев СВЧ-узлов приемопередающих каналов и блока питания и управления. От двух половин 1, 2 теплоотводящего основания корпуса теплота передается теплопроводностью (при непосредственном контакте, или через теплопроводящую пасту, или через мягкий низкотемпературный припой 13) к зонам испарения 8 тепловых труб 7, в результате чего теплоноситель в каждой из тепловых труб 7 испаряется и перемещается в их зоны конденсации 9, где конденсируется и отдает теплоту зоне теплоотвода 3 и 4. Подвод и отвод теплоты от двух половин теплоотводящего основания корпуса к тепловым трубам 7 осуществляется через поверхности внутренних продольных полусферических каналов 5 и 6, теплопроводностью при непосредственном контакте или через теплопроводящую пасту, или через мягкий низкотемпературный припой 13. Отведенная от зон конденсации 9 тепловых труб 7 через две половины зоны теплоотвода 3, 4 теплота поступает на нагрев соответственно, двух радиаторов воздушного охлаждения 10 и 11, из которых она уносится в окружающую среду системой принудительного воздушного охлаждения.
Заявляемый корпус модуля АФАР предназначен для перспективных РЛС наземного базирования и соответствует требованиям ГОСТ РВ 20.39.304-98 по группе аппаратуры 1.3., при этом система отвода тепла автономна и интегрирована в конструкцию корпуса модуля. Суммарная мощность тепловыделения в корпусе модуля составляет более 140 Вт. Масса корпуса модуля со всеми конструктивными элементами и тепловыми трубками составляет (3,5±0,1) кг. Корпус модуля АФАР герметичен. Наружные металлические поверхности корпуса модуля для условий хранения и эксплуатации выполнены коррозионностойкими. Максимальный перегрев оснований в контрольных точках корпуса модуля относительно температуры охлаждающего воздуха не превышает 16°С. Температура внутри отсеков модуля при его работе составляет от плюс 60 до плюс 70°С, а при функционировании при предельных температурах охлаждающего воздуха - от плюс 70 до 90°С.
Корпус модуля АФАР устойчив к воздействию механических и климатических факторов, и допускает эксплуатацию в условиях воздействия внешних воздействующих факторов согласно ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы 1.3 и таблицы 1.
Таблица 1
Внешний воздействующий фактор и его характеристика
Значение характеристики
1. Синусоидальная вибрация:
- диапазон частот, Гц
1-500
- амплитуда ускорения, м/с<sup>2</sup> (g)
50 (5)
2. Механический удар многократного действия:
- пиковое ударное ускорение, м/с<sup>2</sup> (g)
100 (10)
- длительность действия ударного ускорения, мс
5÷15
3. Акустический шум:
- диапазон частот, Гц;
от 50 до 10000
- уровень звукового давления, дБ
130 (См. примечание 3)
4. Повышенная температура среды, °С
плюс 55
9. Повышенная влажность: относительная влажность при температуре плюс 35°С, %
100
10. Пониженная относительная влажность воздуха при температуре плюс 30°С, %
20
11. Атмосферное пониженное рабочее давление, Па (мм рт.ст.)
6·104 (450)
12. Плесневые грибы
По ГОСТ 28206
13. Солнечное излучение
См. примечание 2
14. Атмосферные осадки (дождь)
См. примечание 1
15. Пыль статическая и динамическая
См. примечание 1
Примечания: 1. Испытания проводятся в составе изделия.2. Испытания не проводятся - требования обеспечиваются конструкцией изделия заказчика.3. Испытания не проводятся согласно п..9.1.4 ГОСТ РВ 20.39.305-98
Корпус модуля АФАР стоек к специальным воздействиям, установленным для группы 1.4 ГОСТ РВ 20.39.305-98. Корпус модуля АФАР обеспечивает безотказную работу в течение 72 часов. Среднее время наработки корпуса на отказ - 100000 часов. Средний срок службы модуля не менее 20 лет. Средний ресурс работы до заводского ремонта составляет не менее 150000 часов. Гарантийный срок службы - 2 года. Гарантийный срок хранения - 1,8 года в таре завода-изготовителя.
Для обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) корпус модуля АФАР выполнен из металла с защитным покрытием Н15.М6.О-Ви(99,8)9. Минимальная толщина стенок корпуса модуля составляет не менее 1 мм.
Сырье, материалы и комплектующие корпуса модуля удовлетворяют требованиям п.п.10, 11 ГОСТ РВ 20.39.309-98. В модуле использованы тепловые трубы производства предприятия «Белорусское республиканское НПО «Порошковой металлургии». Применяемые в модуле материалы пожароопасных, токсичных и запахообразующих примесей не выделяют. Параметры механических и климатических воздействий для предложенного корпуса модуля АФАР рассчитаны по ГОСТ 20.39.304-98 для группы 1.3.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями полезной модели, так как:
- Корпус модуля АФАР в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы полезной модели является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- Конструктивная реализация корпуса модуля АФАР не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература:
1 - патент РФ №2379802, от 20.01.2010 г., МПК H01Q 21/00, H01Q 3/26, «Блок приемопередающих модулей активной фазированной антенной решетки».
2 - патент РФ №2172538, от 20.08.2001 г., МПК H01L 23/34, H01L 23/36, «Теплопроводная прокладка».
3 - патент РФ №2253922, от 27.09.2004 г., МПК H01L 23/40, «Мощный полупроводниковый приборе».
4 - полезная модель РФ №81850, от 20.10.2008 г., МПК Н01Р 1/26, «Мощная микрополосковая нагрузка».
5 - патент РФ №2206502, от 20.06.2003 г., МПК С01В 31/06, С01В 31/36, С04В 35/52, «Композиционный материал».
6 - патент РФ №2338345, от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры».
7 - патент РФ №2380803, от 27.01.2010 г., МПК H01Q 21/00 «Модуль активной фазированной антенной решетки» - прототип.