某星載數字前端的結構與熱控設計研究

摘 要：合成孔徑雷達（SAR）由于其技術特點而受到普遍重視，在合成孔徑雷達等微波設備中，數字前端是重要組成部分。對某星載數字前端的結構進行了設計，保證其滿足強度要求。為了使導熱襯墊的壓縮量達到最佳使用效果，對印制板進行了厚度方向公差分析，以保證其結構滿足強度及裝配要求。此外，根據該數字前端的安裝方式、熱耗分布等對其開展了詳細的熱設計并以此作為技術狀態進行了熱分析，確保所使用的元器件溫度得到控制。

關鍵詞：合成孔徑雷達；數字前端；結構設計；公差分析；熱設計

中圖分類號：TN957.8" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0026-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.008

0" " 引言

合成孔徑雷達（SAR）由于其技術特點而受到普遍重視，成為軍民兩用普遍關注和重點發展的遙感設備。星載SAR不受氣象和光照條件的限制，能實現全天時、全空域、大面積、高分辨對地觀測，在農、林、地質、水域等民用領域具有廣泛的應用前景，尤其是在軍用測繪、情報偵察等方面具有獨特的優勢[1]。

數字前端是星載SAR的重要組成部分，其作用是基于軟件無線電收發機結構，采用數字化處理方式完成接收和發射鏈路中中頻信號和基帶信號之間的轉換[2-3]，真正實現了中頻數字化、軟件無線電的趨勢，被廣泛應用于合成孔徑雷達等微波設備中[4]，是星載雷達系統中的重要組成部分。

作為安裝在航天器上的電子設備，要承受運輸、發射、上升以及在軌運行各個階段的熱環境。熱設計的目的是利用熱傳遞技術，降低發熱元器件和部件本身的溫度，使電子設備整機內部溫升降低到所要求的范圍，提高設備抗溫度應力的能力[5]，保證產品的各個元器件在測試試驗、發射過程和在軌運行過程中滿足標準規定的溫度降額等級。

本文針對某星載數字前端的結構和熱控進行了設計與分析，保證其結構具有一定的強度，對其印制板的厚度公差進行了控制，并根據其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設計和熱分析，使其具有良好的導熱路徑，元器件的溫度達到航天產品使用要求。

1" " 結構設計與公差分析

1.1" " 結構設計

星載數字前端的結構設計主要考慮滿足電性能要求，考慮結構件的機械性能滿足星上力學要求；同時還要考慮各電路模塊之間的電磁兼容性、各模塊安裝及電裝散熱性能、重量等方面。具體設計原則包括：

1）優化構型設計，縮小體積、減輕重量，滿足衛星平臺對設備的尺寸和重量的苛刻要求；

2）提高設備結構剛、強度，以承受各種惡劣力學環境，特別是發射階段的沖擊、振動等環境；

3）星內電子設備嚴格按照航天電子設備結構構型，從力學加固、熱設計、電磁兼容、抗輻射、可靠性、安全性、布局及綜合布線等方面進行工程優化設計。

數字前端由印制板、殼體、蓋板和擋板組成，外形尺寸268 mm（長）×167 mm（寬）×32 mm（高），總重量1 455 g。數字前端主要以盒體為安裝主體，將數字前端印制板、蓋板和擋板通過緊固件進行固定。受重量和體積限制，為保證設計強度，結構件設計采用2A12-H112鋁合金，數字前端的三維分解圖如圖1所示。殼體上設計了直徑為4.5 mm的定位銷作為定位基準，保證安裝相對公差。印制板安裝在殼體內部，通過螺釘緊固。考慮到印制板和連接器實際安裝需要，設計了擋板結構，以方便印制板和連接器的安裝，并能起到較好的電磁屏蔽效果。由于印制板上有大量的散熱器件，為了使這些散熱器件能較好地散熱，殼體上設計了許多的散熱凸臺，安裝時散熱凸臺與印制板的散熱器件之間需要墊上導熱襯墊，同時還涂上導熱膠。在蓋板上設計了凸筋結構，除了起到提高蓋板剛強度的作用外，還起到了與殼體配合形成電磁屏蔽結構的作用。

因為星載設備的重量要求很苛刻，在保證電性能和結構強度以及抗輻照的前提下，對金屬結構件采取了減重措施。殼體上除了留出足夠的空間用于安裝連接器外，對殼體的腔高進行了適當的壓縮，并將殼體設計成階梯形狀，以有效減小殼體的重量。對于蓋板，除了留出必要的厚度以滿足結構強度要求外，在蓋板上設計了大量的減重槽。最終金屬結構件可以減重約27%。

1.2" " 公差分析

印制板厚度方向的安裝公差與芯片散熱、連接器裝配有很大的相關性，所以要從兩個方面進行分析。

由于數字前端中印制板與盒體間會引入導熱襯墊以利于熱傳遞，而為實現導熱襯墊達到最優的傳熱效果，必須保證壓縮量控制在10%～30%之內，因此有必要對盒體的凸臺以及印制板安裝面進行公差控制。根據熱控分析可知，導熱襯墊進行熱傳遞，厚度為1.016 mm，由于壓縮量必須控制在10%～30%之內，因此要求導熱襯墊的安裝公差必須處于±0.1 mm內。由于殼體散熱凸臺是在測量出了安裝在印制板上芯片的高度后再加工的，且本設計采用印制板安裝面與散熱凸臺之間的總公差為±0.05 mm，根據公差尺寸計算可知，導熱襯墊的尺寸公差為±0.05 mm，滿足設計要求。

印制板的厚度過大會造成與連接器探針安裝時的干涉，因此也要控制印制板的厚度。殼體上射頻連接器JSSMA-KFD5602安裝孔位尺寸和連接器本體尺寸如圖2和圖3所示。

印制板厚為2.1 mm，公差±7%（±0.147 mm），射頻連接器邊沿距離印制板的最小距離為：

2.45-2.1-0.5/2+（4.7-4.6）/2=

0.15 mm＞0.147 mm" " " " " " （1）

因此，在安裝連接器JSSMA-KFD5602時不會出現與印制板干涉現象，滿足使用要求。

2" " 熱設計與熱分析

2.1" " 熱設計要求

某星載數字前端作為航天電子模塊，其熱設計要求如下：

1）考慮到元器件合理的安裝方式和散熱措施，尤其是功率器件，在任何模式下，元器件的工作溫度不超過Ⅰ級降額要求。

2）散熱措施須符合電子設備的電性能和機械性能指標，滿足尺寸、重量、電磁兼容、抗輻照等產品規范要求及安全性、可靠性、可維修性等六性要求。

2.2" " 熱設計

熱設計直接關系到電子設備的長壽命和高可靠性，必須采取合適的散熱措施使電子設備內元器件的工作溫度不超過Ⅰ級降額要求。單機的散熱途徑主要有兩條：元器件的一部分熱量通過印制板傳給單機殼體，直接安裝在殼體上的元器件，熱功耗通過接觸導熱直接傳給單機殼體，這種散熱通道稱為導熱散熱路徑；也有一部分熱功耗通過元器件外表面向外輻射，最終傳給單機殼體，這種散熱通道稱為輻射散熱路徑[6]。由于單機內部溫差較小，熱傳導比熱輻射效果明顯，散熱路徑以導熱散熱路徑為主。

該數字前端熱耗分布如圖4所示，總熱耗為44.98 W，其中D1、D3、D4、D5、D6、N5、N7、D13、D14、D15、D19、D20、D21、D22是主通道，其余器件是備通道，采用冷備份，主備通道不同時開電。

數字前端立式安裝于天線陣面有源安裝板，熱量通過殼體地面傳導至天線有源安裝板。大功率元器件均通過盒體凸臺接觸散熱，為了降低接觸熱阻，接觸面墊導熱襯墊，并保證10%～30%的壓縮量。

數字前端以殼體底板為安裝面和散熱面，安裝面平面度優于0.1，粗糙度優于3.2，接觸面使用導熱硅脂減小接觸熱阻。殼體材料采用高熱導率的鋁合金2A12，元器件熱量通過殼體向安裝底面傳導，為了增強殼體傳熱效率，殼體厚度不低于3.5 mm，且盒體圖5所示區域不能有減輕槽。

此外，要求外表面（除安裝面外）噴涂了E51-M熱控黑漆，保證其半球反射率εh≥0.85，以強化天線陣面各設備之間的輻射換熱。

2.3" " 熱分析

采用NX軟件作為分析工具，該軟件可以從電子設備的環境層、系統層、電路板及部件層直至芯片內部結構層等各種不同層次對系統散熱、溫度場進行準確的定量分析。熱分析模型主要進行了以下幾個方面簡化[7]：

1）在結構方面，模型中忽略了螺釘孔、倒角、接插件等特征。

2）該設備與其他設備主要通過電纜連接，電纜導熱性能相對較差，因此仿真分析中可以忽略其他設備對該設備的影響。

3）由于元器件內部結構復雜，在建模時進行了一定的簡化，根據元器件的主體材料，將元器件假定為陶瓷塊，保證其尺寸及散熱面積與實際相同，這樣通過計算可得到較為準確的元器件外殼溫度。得到元器件外殼溫度后，根據器件結-殼熱阻計算出結溫，對未提供結-殼熱阻的元器件，根據GJB/Z 35—1993《元器件降額準則》[8]中相應封裝的元器件數據進行估算。

4）熱分析中忽略了元器件之間的輻射傳熱，僅考慮熱傳導效應。

分析模型適當簡化刪除一些幾何特征有利于提高熱分析精度，對整個溫度場的分布不會有影響，簡化后的模型如圖6所示。

該單機在軌階段工作溫度范圍為-40～55 ℃，選取在軌工作高溫55 ℃作為熱分析工況，分機內部元器件結溫應滿足Ⅰ級降額要求。

熱分析邊界條件描述如下：

1）安裝面定溫55 ℃；

2）周圍環境定溫55 ℃。

針對當前的技術狀態開展了熱分析，在高溫55 ℃情況下，主份開機工況結果如表1所示，備份開機工況結果如表2所示，元器件結溫滿足Ⅰ級降額要求。

3" " 結束語

數字前端作為合成孔徑雷達的重要組成部分，需對其進行詳細的結構設計與熱分析。本文對某數字前端的結構進行了設計，保證其滿足強度要求，并對印制板的厚度公差進行了控制，使安裝不會出現干涉。此外，根據其安裝方式、熱耗分布等因素開展了熱設計和熱分析，確保其具有良好的導熱路徑，所使用的元器件高溫工況下結溫符合溫度Ⅰ級降額要求。

[參考文獻]

[1] 朱良，郭巍，禹衛東.合成孔徑雷達衛星發展歷程及趨勢分析[J].現代雷達，2009，31（4）：5-10.

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[4] 趙國棟，郭德淳.基于FPGA的數字中頻接收系統[J].軍民兩用技術與品，2006（1）：43-44.

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[6] 呂慎剛，江守利.星載微組裝T/R組件的封裝設計[J].電子機械工程，2023，39（3）：44-48.

[7] 孫遠濤，謝標，馮明揚.考慮熱環境下某數字陣列模塊的結構設計與熱設計[J].機械與電子，2018，36（1）：7-9.

[8] 元器件降額準則：GJB/Z 35—1993[S].

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：馮明揚（1991—），男，安徽蚌埠人，工程師，從事航天電子設備結構設計工作。