Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции системы охлаждения четырехканального приемопередающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР).

Сведения об участнике
ФИО
Туркичева Светлана Витальевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования национальный исследовательский университет «Московский авиационный институт»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Разработка конструкции системы охлаждения четырехканального приемопередающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Резюме
Система охлаждения четырехканального приёмопередающего модуля активной фазированной антенной решетки (АФАР) предназначена для отведения избыточного тепла от активных элементов модуля, при работе в составе системы жидкостного охлаждения цифровой приемопередающей антенной решетки с отведением тепла в окружающую среду с помощью воздушно-жидкостных теплообменников при температуре наружного воздуха в диапазоне от минус 40 до плюс 40°С.
Ключевые слова
Обеспечение тепловых режимов антенн наземных локационных станций
Цели и задачи
Научно – техническая работа посвящена одной из наиболее актуальных проблем, возникающих в процессе создания антенн наземных локационных станций нового поколения – обеспечению их тепловых режимов.
Введение

Станции нового поколения предназначены, прежде всего, для работы в составе мобильных зенитно-ракетных систем, нового поколения, способных одновременно обнаруживать и сопровождать большое количество как воздушных (в том числе низколетящих и малоразмерных), так и космических целей на восходящих и нисходящих участках баллистических траекторий и даже целей, находящихся на низких (до 300 км) орбитах. Повышенные тактико-технические требования по дальности действия обеспечиваются значительным увеличением мощности излучаемого сигнала, а требования по точности и качеству распознавания целей – повышением рабочей частоты станций и расширением полосы излучаемого и принимаемого сигнала.

Методы и материалы

Требование по одновременному сопровождению большого числа целей обеспечивается применением в качестве антенного устройства локационной станции активной фазируемой антенной решетки (АФАР). При разработке антенн локационных станций коммерческого и военного назначения на основе АФАР постоянно ужесточаются требования, предъявляемые к их эффективности и экономичности.

Актуальной проблемой является обеспечение необходимого теплового режима из-за высокой плотности упаковки электронных компонентов внутри приемопередающих модулей (ППМ). К примеру, расстояние между излучателями решетки на частоте 10 ГГц (Х-диапазон) составляет около 20 мм. Сложность проблемы отвода тепла усугубляется жесткими эксплуатационными требованиями.

Основной способ отведения тепла от активных элементов приемопередающих модулей:

ППМ, на одной стенке которого расположен радиатор. Теплоотвод осуществляется от активных элементов на стенку корпуса ППМ, а от корпуса на стенку радиатора. Охлаждающая жидкость, циркулируя внутри радиатора, снимает тепло со стенки радиатора. Недостатки: неэффективность теплоотвода при больших мощностях

Следовательно, необходимо разработать конструкцию системы охлаждения, которая устанавливается внутри корпуса модуля и в качестве теплоносителя используется охлаждающая жидкость ОЖ 65.

В научно-технической работе используются знания термодинамики, теплопередачи и гидравлики. 

Знание программ:  SolidWorks Flow Simulation, Femap with NX Nastran, MathCad

Описание и обсуждение результатов

В состав ППМ на один канал входит: фильтр нижних частот (ФНЧ), циркулятор, выходной усилитель мощности (ВУМ), вентиль, предварительный усилитель мощности (ПУМ), источник сигнала, вторичный источник питания (ВИП), ячейка управления (ПР и ЯУК). На основе анализа удельной мощности из расчетов принято решение, что непосредственно на тепловоспринимающие элементы будут устанавливаться ВУМ, ПУМ и ВИП. Теплоотвод от остальных элементов будет осуществляться через печатную плату.

1. Разработана конструкция системы охлаждения и конструкция корпуса ППМ. 

2. Разработана оптимальная компоновка ППМ электронными компонентами.

3. Подбор охлаждающей жидкости. Рассчитан оптимальный расход и температура охлаждающей жидкости.

4. Проведены тепловые и гидравлические расчеты. 

5. Смоделированы конструкция корпуса ППМ и конструкция системы охлаждения.

5. Произведены расчеты на эффективность конструкции системы охлаждения методом конечных элементов в программе Femap with NX Nastran и расчеты в программе SolidWorks Flow Simulation. 

По результатам расчетов и моделирования подведены итоги:

Конструкция системы охлаждения является эффективной и оптимальной, т.к. температура на транзисторе выходного усилителя мощности (самого мощного элемента на плате) составляет 76,2 °С при допустимых 80 °С.

На основе данной научно-технической работы возможно изготовление четырехканального приемо-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) с системой охлаждения, расположенной внутри корпуса ППМ. 

6. Технология монтажа многослойной печатной платы с электронными компонентами к конструкции системы охлаждения приёмопередающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР).

Принято решение, что монтаж осуществляется пайкой в несколько этапов:

Первый этап – пайка ячейки управления (ЯУК), источника сигнала (ИС), циркулятора на многослойную печатную плату.

Второй этап – установка многослойной печатной платы на конструкцию системы охлаждения и пайка вторичного источника питания (ВИП), предварительного усилителя мощности (ПУМ) и выходного усилителя мощности (ВУМ) непосредственно на систему охлаждения. Для этого в многослойной печатной плате делаются отверстия. Подбор паяльной пасты, температура плавления которой значительно ниже, чем температура плавления паяльной пасты для пайки (первый этап). После установки печатной платы на конструкцию системы охлаждения, методом трафаретной печати наносится слой паяльной пасты в места крепления ВИП, ПУМ и ВУМ. Методом циркуляции горячего воздуха по внутренним каналам системы охлаждения, происходит нагрев паяльной пасты до температуры плавления и осуществляется пайка. Тем самым система охлаждения используется и для осуществления технологического процесса - монтажа. 

Используемые источники
1. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление
2. Основы теории теплообмена. С.С. Кутателадзе, 1979
3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре
Information about the project
Surname Name
Turkicheva Svetlana
Project title
The design of the cooling system four-channel transceiver module (APM) active electronically scanned array (AESA).
Summary of the project
Cooling system four-channel transceiver module of the active phased array (AESA) designed for the removal of excess heat from the active elements of the module, when operating in the system a liquid-cooled digital transceiver antenna array with the abstraction of heat to the environment using air-to-liquid heat exchangers when the outdoor temperature range from minus 40 to plus 40°C.
Keywords
Ensuring the thermal regime of the antenna ground radar stations