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.
Известна система теплоотвода, осуществленная в «шкафу радиоэлектронной аппаратуры» по патенту Российской Федерации №2338345, от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20 - [2], 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 [2] для отведения теплоты от СВЧ-узлов приемопередающих каналов в АФАР-ах, а ее простое копирование (системы теплоотвода по [2]) невозможно без учета особенностей и характеристик конкретной АФАР.
Известно применение в «устройстве для охлаждения кристалла компьютерного процессора», по патенту Российской Федерации №2263371, от 27.10.2005 г., МПК H01L 23/34 - [3] тепловых труб, которые своими зонами испарения установлены с тепловым контактом (обжаты) в основание радиатора, а зоны конденсации с радиальными ребрами образуют периферийную зону радиатора. Также известно использование в «устройстве для охлаждения микросхем графического видеоадаптера» по патенту Российской Федерации №2300856, от 10.06.2007 г., МПК Н05К 7/20, H05F 1/20 - [4], тепловой трубы, которая своей зоной испарения установлена с тепловым контактом (обжата) в одном теплообменнике-радиаторе, расположенным над охлаждаемой микросхемой, а зона конденсации - в дополнительном одном теплообменнике-радиаторе.
При этом, не известно применение известных технических решений [3] и [4], а именно установки с обжатием зон испарения тепловых труб в пластине из теплопроводного материала, для снижения теплового сопротивления теплопередачи, для отведения теплоты от СВЧ-узлов приемопередающих каналов в АФАР-ах.
Прототипом заявляемого технического решения является «Модуль активной фазированной антенной решетки», по патенту Российской Федерации №2380803, от 27.01.2010 г., МПК H01Q 21/00 - [5], 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 [5], 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 удешевления корпуса модуля АФАР с высокоэффективным охлаждением СВЧ-узлов приемопередающих каналов. При этом, должна реализоваться возможность быстрой замены модулей. Кроме того, стоят задачи повышения функциональных возможностей корпуса модуля АФАР, и расширения области его применения путем повышения количества приемопередающих каналов с СВЧ-узлами, расположенных в одном корпусе модуля АФАР.
Поставленная задача решается тем, что в корпусе модуля АФАР, содержащим теплоотводящее основание, зону теплоотвода, установочные места для четного числа независимых приемопередающих каналов, блока 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, при этом теплоотводящее основание и зона теплоотвода состоят из двух половин, симметричных относительно продольной плоскости, которые в месте расположения тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов содержат прямоугольные симметричные вырезы, а на герметично соединяемых поверхностях теплоотводящего основания от прямоугольных вырезов в зону теплоотвода включительно имеются продольные полусферические каналы, в которых с тепловым контактом установлены тепловые трубы, зоны конденсации которых расположены в теплоотводе, а зоны испарения закреплены обжатием (обжаты) в толстостенной прямоугольной пластине из теплопроводного материала, которая закреплена в прямоугольных симметричных вырезах теплоотводящего основания, и на которой расположены установочные места четного числа независимых приемопередающих каналов тепловыделяющих СВЧ-узлов, зона теплоотвода корпуса с внешних сторон прижата к охладителю.
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 теплоотводящего основания от прямоугольных вырезов в зону теплоотвода включительно имеются продольные полусферические каналы, в которых с тепловым контактом установлены тепловые трубы» необходимо для существенного увеличения поверхности теплового контакта теплоотводящего основания корпуса с внешней поверхностью 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 теплоотводящее основание…, состоящее из двух половин…, в месте расположения тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов содержит прямоугольные симметричные вырезы, в которых установлена толстостенная прямоугольная пластина из теплопроводного материала с закрепленными в ней обжатием зонами испарения тепловых труб (на толстостенной прямоугольной пластине расположены установочные места четного числа независимых приемопередающих каналов тепловыделяющими СВЧ-узлов)» необходимо для существенного снижения теплового сопротивления между тепловыделяющими СВЧ-узлами и зонами испарения тепловых труб, и снижением стоимости корпуса модуля, так как в качестве материала толстостенной прямоугольной пластины и материала корпусов тепловых труб использована медь. При обжатии пластиной зон испарения тепловых труб достигается идеальный тепловой контакт с минимальным тепловым сопротивлением, а крепление мощных тепловыделяющих СВЧ-узлов непосредственно на толстостенную прямоугольную медную пластину исключает промежуточный элемент: теплоотводящее основание (корпуса модуля). При этом теплота от сравнительно небольшого тепловыделения блока питания и управления передается через теплоотводящее основание к тепловым трубам. Толстостенная прямоугольная медная пластина служит и для более равномерного распределения (уравнения) выделяемой СВЧ-узлами приемопередающих каналов теплоты по объему пластины и, далее, отвода этой теплоты к зонам испарения тепловых труб. При этом, коэффициент теплопередачи увеличивается в 1÷2 раза, по сравнению с работой модуля с передачей теплоты через теплоотводящее основание, чем исключается перегрев мощных СВЧ-узлов приемопередающих каналов.
Введение признака «зона теплоотвода корпуса модуля с внешних сторон прижата к охладителю» необходимо для организации общей для всех модулей АФАР системы принудительного охлаждения. Теплота от зон теплоотвода корпусов модуля к внешнему охладителю осуществляется теплопроводностью (по заданным конструктивным условиям установки всех модулей АФАР.
На фиг.1 представлено заявленное техническое решение: схема корпуса модуля АФАР; на фиг.2 - толстостенная прямоугольная пластина из теплопроводного материала с закрепленными в ней механическим обжатием зонами испарения тепловых труб; 3 - корпус модуля активной АФАР в открытом виде; на фиг.4 - корпус модуля активной фазированной антенной решетки в сборе с разрезами.
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. Теплоотводящие основания 1, 2 корпуса модуля в месте расположения мощных тепловыделяющих СВЧ-узлов приемопередающих каналов содержат прямоугольные симметричные вырезы. На герметично соединяемых поверхностях теплоотводящего основания 1, 2 от прямоугольных вырезов к зоне теплоотвода 3, 4 включительно имеются продольные полусферические каналы соответственно 5 и 6, в которых с тепловым контактом установлены тепловые трубы 7, зоны конденсации 8 которых расположены в теплоотводе 5, 6. Зоны испарения 9 тепловых труб 7 закреплены механическим обжатием в толстостенной прямоугольной пластине 10 из теплопроводного материала (например, меди), которая закреплена в прямоугольных симметричных вырезах теплоотводящего основания 1, 2. Зона теплоотвода 5, 6 корпуса модуля с внешних сторон прижата к общему для всех модулей АФАР охладителю (на рисунках не показан). В корпусе модуля АФАР, на установочных местах пластины 10 расположены (на рисунках не показаны) четное число независимых приемопередающих каналов. 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: Установленные на толстостенной прямоугольной пластине 10, которая расположена в вырезах двух половин 1 и 2 теплоотводящего основания с зоной теплоотвода 3, 4 корпуса тепловыделяющие СВЧ-узлы приемопередающих каналов, при работе модуля АФАР выделяют теплоту. Теплота первоначально отводится к пластине 10 из теплопроводного материала, и, ввиду ее высокой теплопроводности происходит равномерный нагрев пластины 10 по всему ее объему. Далее отвод теплоты от пластины 10 осуществляется теплопроводностью к зонам испарения 8 (при непосредственном контакте, механического плотного обжатия) тепловых труб 7. В результате нагрева зон испарения 8 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 (от блока питания и управления) 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. Отведенная от зон конденсации 9 тепловых труб 7 через две половины зоны теплоотвода 3, 4 теплота поступает теплопроводностью на нагрев общего охладителя модулей АФАР.
Корпус приемо-передающего модуля (ППМ) с интегрированными элементами охлаждения для АФАР «Х-диапазона», предназначен для ППМ перспективных РЛС наземного базирования. Корпус модуля АФАР соответствует требованиям ГОСТ РВ 20.39.304-98 по группе аппаратуры 1.3. Корпус модуля обеспечивает перегрев оснований усилителей мощности относительно окружающей среды - не более 15 К при всех видах воздействий, соответствующих группе аппаратуры 1.3 по ГОСТ РВ 20.39.304-98. Система отвода теплоты в корпусе модуля автономна и интегрирована в конструкцию корпуса ППМ.
Корпус модуля обеспечивает температуру внутри отсеков ППМ не более +70°С. Потребляемая (рассеиваемая, тепловая) мощность с ППМ или имитаторами тепловой нагрузки - не более 300 Вт. Масса корпуса модуля со всеми конструктивными элементами и тепловыми трубками составляет 3,5±1 кг. Конструкция корпуса модуля обеспечивает герметизацию рабочего объема. Наружные металлические поверхности основания и крышки коррозионно-стойкие в условиях хранения и эксплуатации.
Корпус модуля механически прочный и допускает эксплуатацию в условиях воздействия механических ВВФ, установленных для группы аппаратуры 1.3 ГОСТ РВ 20.39.304-98 и табл.1.
Таблица 1
Внешний воздействующий фактор и его характеристика
Значение характеристики
1. Синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц
1-200
амплитуда ускорения, м/с<sup>2</sup> (g)
20 (2)
3. Механический удар многократного действия:
пиковое ударное ускорение, м/с<sup>2</sup> (g)
100 (10)
длительность действия ударного ускорения, мс
5÷15
3
Корпус модуля сохраняет работоспособность после воздействия изменения температуры среды от минус 65°С до плюс 70°С. Пылезащита по ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы 1.3 обеспечивает работоспособность корпуса модуля при воздействии пыли с концентрацией (5±2)г/м, в том числе в статическом и в динамическом режиме со скоростью потока от 1 м/с до 15 м/с. Влагозащита по ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы 1.3 обеспечивает работоспособность корпуса модуля при воздействии атмосферных осадков (дождя) с интенсивностью 15 мм/мин.
Корпус модуля обеспечивает безотказную работу без непосредственного местного обслуживания и контроля в течение 72 часов. Среднее время наработки корпуса модуля на отказ - 100000 часов. Средний срок службы корпуса модуля не менее 20 лет. Средний ресурс работы до заводского ремонта - не менее 150000 часов. Гарантийный срок службы - 2 года. Гарантийный срок хранения - 1,8 года в таре завода-изготовителя. Сырье, материалы и комплектующие корпуса удовлетворяют требованиям ГОСТ РВ 20.39.309-98. Металлические и неметаллические материалы, применяемые в корпусе модуля негорючие или трудногорючие. Применяемые в корпусе модуля материалы пожароопасных, токсичных и запахообразующих примесей не выделяют.
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 №2338345, от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры».
3 - патент РФ №2263371, от 27.10.2005 г., МПК H01L 23/34, «Устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора».
4 - патент РФ №2300856, от 10.06.2007 г., МПК Н05К 7/20, H05F 1/20, «Устройстве для охлаждения микросхем графического видеоадаптера».
5 - патент РФ №2380803, от 27.01.2010 г., МПК H01Q 21/00 «Модуль активной фазированной антенной решетки» - прототип.