某頻段機載功率放大設備的結構設計

王彥斌

（西南電子技術研究所，成都 610036）

0 引言

隨著電子技術水平的迅速發展，伴隨著固體電路、超大規模集成電路的相繼出現，機載電子設備不斷向著高性能、高密度、小型化方向發展。

機載功率放大設備主要是實現接收、功率放大、接口控制和狀態檢測功能。該設備將多個獨立電子功能模塊進行多維優化組合，從而使設備體積和重量得到顯著降低，但由此會帶來設備的散熱難度增加，設備的熱設計將成為模塊設計時的重點，同時該設備振動環境惡劣，設備的振動強度設計也需要重點關注。

1 設備整體結構設計

該電子設備是獨立的LRU模塊，由安裝架、濾波器模塊、控制板和接口模塊、盒體及內部功放單元等組成，連接螺釘均采用GB818和GB819系列的不銹鋼螺釘。該設備主體和安裝架之間采用導銷和前鎖緊裝置固定，能實現快速拆卸。設備采用專用高低頻電纜傳送模塊間高低頻電信號，其主要對外接口位于前面和左側面。

圖1 電子設備外形示意圖

該設備內部組裝、檢修、更換、維護方便，其中濾波器模塊和控制板模塊各采用4顆M5螺釘固定，拆卸和維修方便。主要散熱器件均與結構件直接接觸，其中功放單元特采用強迫風冷和均溫板設計，散熱效果良好。

2 設備熱設計

電子設備的熱設計是指對電子元件、組件以及整機的溫升控制。尤其是對高密度組裝的設備，更需注意其熱耗的排除。溫升控制的方法包含：自然冷卻、強迫風冷、強迫液冷、蒸發冷卻、溫差電致冷、熱管傳熱等各種形式［1］該電子設備的機載平臺要求設備自行解決散熱問題。依據設備內部熱耗的情況，具體如表1所示，通過估算，自然散熱不能滿足該設備的散熱需求，需考慮采用強迫風冷的方式冷卻，設備自帶風扇提供風源。

從表1同時可以看出，該電子設備的主要散熱集中在2個功放芯片上（中放芯片和末放芯片），根據該設備的散熱特點，最終選擇了局部強迫風冷和自然散熱相結合的熱設計方式。由于設備尺寸限制和模塊熱耗特點，該電子設備選擇了一款體積小風力足的EBM風機。

該設備的熱設計主要集中在功放芯片散熱上，通過去掉安裝架及不必要的結構簡化模型如圖2所示。

采用熱仿真軟件flotherm計算［2］，計算模型如圖 2所示，計算結果如圖 3～圖6。

由仿真分析可知，使用常規風冷散熱，難以解決設備內部2個功放芯片散熱問題，由于擴散熱阻的存在，散熱器基板溫差最大可達100℃。如果使用均溫板（即毛細散熱腔VC板），則可降低基板溫差，提高散熱利用效率。按保守的均溫板導熱系數（1000W/（m·K））［3］，保守的最大熱流密度（100 W/cm2）進行仿真計算，其安裝面溫度可控制在 110～120℃左右，該設備的器件結溫/殼溫要求及計算結果對比如表 2所示，考慮到所設定均溫板的數值偏保守，通過表2可以看出，采用強迫風冷加均溫板的方案解決設備散熱問題是可行的。

表1 主要器件熱耗統計表

圖2 結構簡化計算模型

3 設備振動強度及減重設計

由于設備裝機位置處環境條件要求嚴格，根據以往工程經驗看，設備振動條件相對其它設備非常惡劣，再加上設備本身要求有很高的可靠性和耐久性，該設備傾向于選擇加裝隔振系統。

首先簡化設備模型、約束處理、網格劃分和設置材料參數，在不裝隔振系統情況下，對設備進行模態分析。得出1階模態：470.8 Hz、2階模態：702.Hz、3 階模態：875.6 Hz、4 階模態：1 043 Hz。通過模態分析可以看出，設備的1階和2階模態頻率和結構件容易產生共振，對設備結構件和內部器件的結構強度和剛度容易造成損壞［4］，這樣就更加論證了需要加隔振系統的方案。

圖3 風冷安裝基板溫度云圖

圖4 風冷安裝散熱片溫度云圖

圖5 加均溫板風冷基板溫度云圖

圖6 加均溫板風冷散熱片溫度云圖

表2 器件結溫/殼溫要求及計算結果對比

根據設備的振動條件定制了所需的隔振器，隔振器主要參數是：固有頻率為70Hz；最大共振放大率小于3；單只公稱載荷為 1.5 kg；隔振器單只重量為130 g。同時為滿足設備的裝機要求，還設計了設備安裝架，安裝架通過4個底部隔振器安裝于飛機平臺，而整機則通過安裝架后面的導銷，前面的鎖緊裝置固定在安裝架上，以實現快速拆卸，其整體結構形式如圖7所示。

圖7 設備整體結構形式

根據設計的隔振系統再次對安裝了隔振器的設備進行了模態分析，結果如表3和圖8所示。

從表3和4圖8可以看出，安裝減振器后，設備的前3階模態以減振器3個方向的平動振動為主，第4階模態以減振器的水平扭振為主，其它低階模態［5］主要集中在安裝架上。扭振的發生與設備重心位置及減振器的安裝位置密切相關，如果減小減振器的安裝平面位置與系統重心的相對尺寸，就可以避免扭振的發生。從仿真分析來看，該振動設計能夠滿足設備振動需求。

當然除了滿足振動設計以外，設備還需要滿足裝機重量要求。目前綜合考慮剛度-密度比、加工性和成本等多方面因素，設備結構材料主要采用5A06鋁。從整體看，該設備為LRU設備，設備采用安裝架固定方式，結構設計必須受到接插件、冷板和減振器裝配及安裝諸多特殊要求的限制，結構優化設計余量很小，該設備在滿足上述設計要求的前提下，盡量削減所有非重要承力部件（其中外部結構強度和電磁屏蔽要求，預留2.5 mm左右薄板。設備內部有3處需要考慮電磁屏蔽要求，隔板厚度暫設定為3 mm）。在此基礎上完成結構設計后，對設備進行了隨機振動響應分析，通過對設備內部標準差位移和標準差加速度的對比分析，經過幾次耦合設計，最終設計出一個既滿足振動設計又盡可能輕的電子設備。

表3 安裝減振器模態分析結果

圖8 安裝減振器機架結構模態

4 結語

在機載電子產品的結構設計中，熱設計、振動強度及減重設計已成為設計的重點和難點，它們設計的好壞已成為產品是否成功的關鍵因素。本文闡述了一種機載功率放大設備的結構設計，對熱設計、振動強度和減重設計進行了重點闡述，通過多次改進設計并結合仿真分析和試驗驗證得到最后的設計參數，為同類的機載電子設備的結構設計提供借鑒。

［1］ 呂永超，楊雙根.電子設備熱分析、熱設計及熱測試技術綜述及最新進展［J］.電子機械工程，2007，23（1）：5-10.

［2］ 李波，李科群.Flotherm軟件在電子設備熱設計中的應用［J］.電子機械工程，2008，24（3）:11-13.

［3］ 平麗浩，錢吉.電子裝備熱控新技術綜述（上）［J］.電子機械工程，2008，24（1）:1-10.

［4］ 邱成悌.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2005.

［5］ Rao S S.機械振動［M］.李欣業，張路明，譯.北京：清華大學出版社，2009.