ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ АФАР Российский патент 2025 года по МПК H05K7/20 H01Q21/00 H01Q1/02 

Техническое решение относится к области радиолокационной техники, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР).

Проблема отвода тепла в АФАР - один из основных технических аспектов, определяющих саму возможность реализации аппаратуры. Проблема еще более усугубляется в АФАР с широким телесным углом сканирования диаграммы направленности, требующим максимально плотной упаковки приемо-передающих модулей (ППМ) в апертуре антенны.

Для решения проблемы охлаждения активных элементов ППМ применяют теплоотводящие основания и малогабаритные плоские тепловые трубы для отвода тепла к внешнему теплообменнику (см. например, О.И. Крахин, В.П.Радченко «Проблема теплоотвода приёмо-передающих модулей и АФАР с высоким уровнем теплового излучения» // Сборник докладов III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г. Сборник докладов).

Существует достаточно большое количество технических решений этой проблемы, признанных изобретениями и полезными моделями. В частности, известно техническое решение, в котором корпус модуля АФАР состоит из симметричных относительно продольной плоскости двух половин, соответственно теплоотводящего основания и зоны теплоотвода. Теплоотводящие основания корпуса модуля в месте расположения мощных тепловыделяющих СВЧ-узлов приемо-передающих каналов содержат прямоугольные симметричные вырезы. На герметично соединяемых поверхностях теплоотводящего основания от прямоугольных вырезов к зоне теплоотвода включительно имеются продольные полусферические каналы, в которых с тепловым контактом установлены тепловые трубы, зоны конденсации которых расположены в теплоотводе. Зоны испарения тепловых труб закреплены механическим обжатием в толстостенной прямоугольной пластине из теплопроводного материала, которая закреплена в прямоугольных симметричных вырезах теплоотводящего основания. Зона теплоотвода корпуса модуля с внешних сторон прижата к общему для всех модулей АФАР охладителю. В корпусе модуля АФАР на установочных местах пластины расположено четное число независимых приемо-передающих каналов. Все СВЧ-узлы приемо-передающих 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 (патент РФ №97220, приоритет 28.04.2010, опубл. 27.08.2010, Бюл. №24).

Известен приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки Ка-диапазона с теплоотводящим основанием в виде плоской тепловой трубы, включающий в себя металлический корпус, внутри которого располагается плоская тепловая труба толщиной до 2 мм, на которой размещена печатная плата с радиоэлектронными тепловыделяющими элементами. Тепловая труба имеет собственный металлический корпус, при этом часть поверхности тепловой трубы выходит за пределы корпуса приемо-передающего модуля и закрепляется в удаленной от модуля зоне на теплообменнике внешней системы принудительного жидкостного охлаждения, таким образом, что зона испарения тепловой трубы располагается внутри корпуса приемо-передающего модуля, а зона конденсации - вне корпуса (Патент РФ №196690, приоритет 27.12.2019, опубл. 11.03.2020, Бюл. №8).

Однако известные технические решения не позволяют реализовать возможность построения малогабаритных бортовых АФАР в условиях, когда отвод тепла от внешнего теплообменника затруднен или невозможен из-за конструктивных особенностей объекта.

Целью изобретения является обеспечение теплового режима функционирования малогабаритной бортовой приемо-передающей АФАР кратковременного действия.

Технический результат - увеличение времени функционирования приемо-передающего модуля (ППМ) бортовой АФАР.

Также можно отметить, что в целом, охлаждение приемо-передающих модулей наземных и бортовых АФАР, реализованное с применением тепловых аккумуляторов (ТА) на основе фазового перехода 1-го рода, размещаемых непосредственно в пределах габаритов ППМ, ранее не применялось.

Для достижения технического результата приемо-передающий модуль АФАР, включающий теплоотводящее основание, на котором размещены тепловыделяющие радиоэлектронные компоненты, содержит объемный тепловой аккумулятор на основе фазового перехода 1-го рода, с негерметичным корпусом из материала с высокой теплопроводностью, причем, одной из стенок теплового аккумулятора является теплоотводящее основание, представляющее собой нижнюю металлизацию многослойной платы приемо-передающего модуля, а на противоположной стенке имеется сквозное отверстие, при этом, рабочее тело теплового аккумулятора имеет температуру плавления

60°С≤Т_Фп≤80°С,

объем рабочего тела теплового аккумулятора определяется из соотношения:

(1)

где Рппм - средняя тепловая мощность, рассеиваемая ППМ;

τ - время функционирования ППМ;

λ - рабочая длина волны ППМ;

ρ - средняя удельная плотность рабочего тела (РТ) ТА;

c_p - удельная теплоемкость фазового перехода РТ ТА;

К - конструктивный коэффициент, соответствующий доле РТ ТА в общем объеме ППМ.

Принципиальным отличием предлагаемого технического решения от аналогов является наличие непосредственно в пределах габаритов самого ППМ теплового аккумулятора. За счет использования известного физического эффекта - изотермического поглощения тепловой энергии при фазовом переходе 1-го рода при плавлении рабочего вещества теплового аккумулятора происходит поглощение (утилизация) выделяемой при работе ППМ тепловой энергии в течение определенного времени существенно большего, чем без наличия теплового аккумулятора.

Для обеспечения минимального теплового сопротивления при передаче выделяемого ППМ тепла к рабочему телу (РТ) теплового аккумулятора (ТА) одной из стенок ТА является теплоотводящее основание ППМ, а также корпус теплового аккумулятора выполняется из материала с высокой теплопроводностью. Корпус теплового аккумулятора является объемной металлической конструкцией, обладающей значительной механической прочностью, что позволяет использовать его в качестве силового каркаса ППМ, применяемого в бортовой аппаратуре, работающей в условиях существенных ударных и вибрационных нагрузок.

Рабочее тело теплового аккумулятора перед применением находится в твердом состоянии, т.к. его температура плавления превышает температуру хранения. Температура плавления рабочего вещества теплового аккумулятора находится в интервале от максимальной температуры хранения (60°С) до максимальной рабочей температуры (80°С).

По мере того, как при работе ППМ выделяется тепло, начинает работать тепловой аккумулятор - РТ нагревается до температуры плавления, а затем изотермически плавится, то есть происходит переход из твердого состояния в жидкое - это фазовый переход 1-го рода, сопровождающийся поглощением тепловой энергии.

От времени и условий работы ППМ, выбора РТ, объема ТА зависит количество поглощенной (утилизированной) тепловой энергии. Эти параметры взаимосвязаны.

Корпус теплового аккумулятора имеет небольшое отверстие в верхней части для выпуска воздуха при увеличении объема рабочего тела. Это позволяет ППМ обеспечивать многократное тестирование аппаратуры назначения при стендовых испытаниях. При однократном применении по назначению пространственное положение модуля не имеет значения, потеря РТ будет незначительна.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен приемо-передающий модуль АФАР (а) вид сверху, (б) вид снизу, где:

1 - многослойная плата;

2 - тепловыделяющие СВЧ-компоненты модуля;

3 - теплоотводящее основание;

4 - тепловой аккумулятор;

5 - РТ ТА;

6 - антенный излучатель.

Пример реализации. ППМ представляет собой многослойную комбинированную плату (1) из высокодобротного СВЧ-ламината типа «Rogers» и FR-4. Все СВЧ и НЧ-линии передачи сигналов в ППМ располагаются во внутренних слоях указанной многослойной платы. С одной стороны платы закреплены навесные элементы, в т.ч. активные тепловыделяющие СВЧ-компоненты (2). Они представляют собой чипы, смонтированные в герметичных LTCC-корпусах. Способ монтажа компонентов - автоматизированный SMD. В местах размещения тепловыделяющих компонентов в плате предусматривается локальный интегральный сквозной теплоотвод на нижнюю металлизацию. Нижняя металлизация (3) является одной из стенок теплового аккумулятора (4). Весь корпус ТА (4) выполняется из материала с высокой теплопроводностью, например, из алюминиевых сплавов.

В качестве рабочего тела (5) теплового аккумулятора выбрана стеариновая кислота С17Н35СООН, температура фазового перехода которой Тпл = 69,6°С, а удельная плотность в твердом состоянии ρст = 0,94 г/мл, в жидком = 0,83 г/мл.

В Х-диапазоне СВЧ при длине волны 3 сантиметра объем ППМ составляет ориентировочно:

V_ППМ=1,5×1,5×9=20 см³

При термодинамическом моделировании конструктивного варианта ППМ со средней выделяемой тепловой мощностью 5 Вт и утилизацией тепла в указанном объеме, устанавливают предельную температуру хранения модуля, соответствующую началу нагрева ППМ в рабочем режиме, 60°С, предельную рабочую температуру 80°С.

Для термодинамического моделирования также существенно, что конструкция ППМ состоит из следующих материалов в объемном выражении:

- алюминиевый сплав марки Д 16-10%;

- многослойная плата с ЭКБ, теплоотводами и т.п. - 10%;

- РТ ТА (стеариновая кислота) - 60%;

- воздушные полости - 20%.

Воздушные полости, не заполненные конструкционными материалами, не оказывают существенного влияния на термодинамику. Многослойная плата с ЭКБ, теплоотводами и т.п. эквивалентна соответствующему объему алюминиевого сплава Д 16.

Время функционирования ППМ в рабочем режиме будет:

- - время нагрева на 20°С (от 60 до 80) 20% объема ППМ, представляющего собой алюминиевый сплав Д 16;

- время нагрева на 20°С (от 60 до 80) 60% объема ППМ, занимаемого стеариновым РТ ТА;

- время полного расплавления РТ ТА.

Времени функционирования, рассматриваемого ППМ АФАР в указанных выше граничных условиях:

(2)

где:

- - удельная теплоемкость алюминиевого сплава D16;

- = - удельная теплоемкость РТТА (стеарина);

- 2*10⁵ - удельная теплота плавления РТТА (стеарина);

- =20 см³ объем ППМ;

- =2,8г/см³ - плотность D16;

- =0,94г/см³;

- =20К - разность предельных температур хранения и эксплуатации ППМ;

- =5Вт - средняя тепловая мощность.

При указанных значениях получаем количественные значения для времени работы ППМ:

=40+131+451=622 секунды.

Таким образом, результат термодинамического моделирования показал существенное увеличение времени работы ППМ, которое складывается из трех слагаемых: первые два определяются теплоемкостью материалов конструкции ППМ, а третье - теплоемкостью фазового перехода РТ ТА. Видно, что последнее слагаемое является определяющим фактором, что и подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области радиолокационной техники, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР). Техническим результатом является увеличение времени функционирования приемо-передающего модуля (ППМ) бортовой АФАР. Предложен ППМ АФАР, включающий: теплоотводящее основание, на котором размещены тепловыделяющие радиоэлектронные компоненты, объемный тепловой аккумулятор (ТА) на основе фазового перехода 1-го рода, с негерметичным корпусом из материала с высокой теплопроводностью, причем одной из стенок ТА является теплоотводящее основание, представляющее собой нижнюю металлизацию многослойной платы ППМ, а на противоположной стенке имеется сквозное отверстие, при этом рабочее тело ТА имеет температуру плавления 60°C ≤ T_Фп ≤ 80°C, объем РТ ТА определяется из соотношения: где Рппм - средняя тепловая мощность, рассеиваемая ППМ; τ - время функционирования ППМ; λ - рабочая длина волны ППМ; ρ_т.а. - средняя удельная плотность РТ ТА; c_p - удельная теплоемкость фазового перехода РТ ТА; К - конструктивный коэффициент, соответствующий доле РТ ТА в общем объеме ППМ. 2 ил.

Приемо-передающий модуль АФАР, включающий теплоотводящее основание с локальным интегральным теплоотводом, на котором размещены тепловыделяющие радиоэлектронные компоненты, отличающийся тем, что содержит объемный тепловой аккумулятор на основе фазового перехода 1-го рода, с негерметичным корпусом из материала с высокой теплопроводностью, причем одной из стенок теплового аккумулятора является теплоотводящее основание, представляющее нижнюю металлизацию многослойной платы приемо-передающего модуля, а на противоположной теплоотводящему основанию стенке имеется сквозное отверстие, при этом рабочее тело теплового аккумулятора имеет температуру плавления

60°С ≤ T_фп ≤ 80°С,

объем рабочего тела теплового аккумулятора определяется из соотношения:

где Рппм - средняя тепловая мощность, рассеиваемая ППМ;

τ - время функционирования ППМ;

λ - рабочая длина волны ППМ;

ρ_т.а - средняя удельная плотность рабочего тела теплового аккумулятора;

c_p - удельная теплоемкость фазового перехода рабочего тела теплового аккумулятора;

К - конструктивный коэффициент, соответствующий доле рабочего тела теплового аккумулятора в общем объеме приемо-передающего модуля.