Содержание к диссертации
Введение
1. ГЛАВА I. Перспективные направления развития активных антенных фазированных решеток бортовых радиолокащонньіх станций х-диапазона 7
1.1. Критерии повышения функциональных возможностей радиолокационных комплексов X - диапазона 7
1.2. Основные задачи улучшения характеристик приемо-передающего модуля активной фазированной решетки Х-диапазона 41
1.3. Электромагнитная совместимость и устойчивость компонентов приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток X-диапазона в условиях сверхплотного монтажа в радиогерметичных отсеках 50
2. ГЛАВА II. Математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента приемо передающего модуля активной фазированной антенной решетки и методы ее решения 61
2.1. Математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента приемо-передающего модуля активной фазированной антенной решетки 61
2.2. Алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных СВЧ - устройств методом конечных и объемных элементов и методом конечных и объемных разностей 82
2.3. Решение внутренней краевой задачи теплопроводности для однослойной и двухслойной модели монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР с поверхностным источником тепловой мощности 97
3. ГЛАВА III. Исследование теплового поля монолитной интегральной схемы усилителя свч мощности при различных режимах теплообмена с окружающей средой и пути стабилизации теплового режима работы приемо-передающего модуля афар x диапазона 118
3.1 Исследование теплового поля монолитной интегральной схемы усилителя СВЧмощности в установившемся режиме 118
3.2 Нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона 143
3.3 Бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности и стабилизация температуры внешней поверхности приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона 159
Основные результаты и выводы диссертации 172
Литература
- Основные задачи улучшения характеристик приемо-передающего модуля активной фазированной решетки Х-диапазона
- Электромагнитная совместимость и устойчивость компонентов приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток X-диапазона в условиях сверхплотного монтажа в радиогерметичных отсеках
- Алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных СВЧ - устройств методом конечных и объемных элементов и методом конечных и объемных разностей
- Нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в радиолокации является повышение уровня излучаемой СВЧ мощности активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение излучаемой мощности позволит увеличить дальность обнаружения цели. Для формирования требуемых диаграмм направленности в АФАР существует ограничение: шаг решетки не должен превышать половины длины волны излучаемого СВЧ сигнала. Данное ограничение переходит в требование, предъявляемое к габаритным размерам приемо-передающих модулей (ППМ) – основных элементов АФАР. Начиная с некоторых частот СВЧ диапазона, ограничение максимально возможного поперечного сечения приемо-передающего канала приводит к невозможности использования миниатюрных электровакуумных и корпусированных твердотельных приборов. Доступной для применения в ППМ элементной базой остаются бескорпусные твердотельные элементы, выполненные в виде монолитных интегральных схем на диэлектрических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Более низкий КПД твердотельных элементов (в два раза и более) по сравнению c магнетронами и лампами бегущей волны выдвигает на первый план задачу обеспечения теплового режима. КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет ~ 25 %, это означает, что 75 % подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому задача увеличения излучаемой СВЧ мощности сводится к задаче отвода тепловой мощности от активного элемента приемо-передающего модуля.
Особую актуальность данная задача приобретает с появлением монолитных интегральных схем усилителей СВЧ мощности с высоким уровнем мощности 10-15 Вт, когда уровень доступной элементной базы обеспечивает более высокий уровень излучаемой СВЧ мощности, а конструктивная реализация системы отвода тепла от активного элемента не обеспечивает необходимый режим охлаждения.
Значительный вклад в исследование вопросов проектирования активных фазированных антенных решеток внесли зарубежные ученые Brookner E., Horton D.A., Reudink D.O. и др., а также российские ученые Воскресенский Д.И., Гостюхин А.В., Гуськов Ю.Н., Бахрах Л.Д., Белый Ю.И., Глушицкий И.В. и др.
Однако несмотря на проведенные исследования вопросов проектирования и построения активных фазированных антенных решеток, актуальными и практически важными остаются следующие задачи: интенсификация процесса отвода тепла от активного элемента (монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности); измерение температуры активного элемента без нарушения электромагнитной совмести; минимизации паразитного взаимодействия бескорпусных СВЧ элементов приемо-передающего модуля, расположенных в замкнутых радиогерметичных отсеках. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.
Цель диссертационной работы: повышение уровня выходной мощности приемо-передающего модуля посредством интенсификации процесса теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой в активном элементе приемо-передающего модуля тепловой мощности в окружающую воздушную среду или охлаждающую жидкость и оптимизация импульсного режима работы ППМ.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы: метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод разделения переменных; принцип суперпозиции; представление искомого теплового поля в ряд Фурье; численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).
Научная новизна:
1. Предложена математическая модель внутренней краевой задачи теплопроводности для приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая провести аналитическое исследование теплового поля ППМ, процессов теплопередачи и теплоотвода тепловой мощности от активных элементов монолитной интегральной схемы (МИС) в окружающую среду и охлаждающую жидкость и определить пути повышения уровня выходной мощности ППМ.
2. Установлено, что использование в качестве основания МИС металлической пластины с высокой теплопроводностью и заполнение воздушного промежутка между МИС и корпусом ППМ порошком бериллиевой керамики позволяет увеличить отвод тепловой мощности от активных элементов в окружающую среду, уменьшить максимальную и среднюю температуру нагрева МИС, то есть увеличить Рвых модуля без нарушения рабочего режима работы ППМ.
3. Показано, что с уменьшением времени длительности теплового импульса снижается величина максимальной температуры нагрева активного элемента МИС при постоянстве средней температуры – tср на периоде импульсного режима, что позволяет увеличить выходную СВЧ мощность на сверхкоротких импульсах (им510-4с) без нарушения порога тепловой безопасности работы ППМ.
4. Разработан бесконтактный метод измерения температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора от температуры.
5. Предложен способ электромагнитной совместимости приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке приемо-передающего модуля АФАР, основанный на временном разделении работы приемника и передатчика, позволяющий устранить паразитную обратную связь между активными элементами.
Практическая значимость.
1. Предложенные однослойная и двухслойная модели внутренней краевой задачи теплопроводности с произвольными источниками тепла могут быть использованы для оптимизации теплового режима приемо-передающих модулей в современных радиолокационных системах, а также в СВЧ-энергетике при расчете тепловых полей в объеме нагреваемого материала в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.
2. Предложенный бесконтактный способ контроля температуры выходного усилителя мощности может быть использован для контроля температуры бескорпусных СВЧ элементов, выполненных на GaAs, в схеме которых присутствует транзисторный элемент, работающий в режиме насыщения.
3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в учебном процессе по специальности «Радиотехника» в курсах «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах».
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета и научно-производственном центре ЗАО «Алмаз-Фазотрон». Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010), «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, ФГУП «НПП «Пульсар», 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-ХХIV» (Саратов, СГТУ, 2011).
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена корректностью математической модели процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР; использованием высокоточных численно-аналитических методов решения краевых задач математической физики; экспериментальной проверкой предложенных в работе бесконтактного метода контроля температуры активного элемента и режима работы приемо-передающего модуля, при котором работа приемного и передающего каналов разнесена во времени.
Реализация результатов. Результаты исследований внедрены на предприятии ЗАО НПЦ «Алмаз – Фазотрон» и могут быть использованы в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука».
Публикации.
По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 9 печатных работ, из них три работы – в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа, состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 184 страницы и включает 57 рисунков, а также список используемой литературы, содержащий 101 наименование.
Основные задачи улучшения характеристик приемо-передающего модуля активной фазированной решетки Х-диапазона
Мощность PM=P/N, где Ps - полная мощность излучения АФАР; N — число модулей в антенной решетке. Усилители мощности, входящие в состав ППМ должны обеспечивать мощность излучения от десятков долей и единиц ватта до нескольких сотен ватт. Коэффициент усиления модуля Крм=Рм/Рвх М5 где Рвх м -мощность, подаваемая на вход модуля. Снизить потери мощности, которые приходятся на распределительную систему, можно увеличив Крм, тем самым снизив необходимую Рвх м для заданной Рм. КПД модуля определяет тепловые режимы модулей и всей АФАР. Низкий КПД активных элементов может привести к тяжелому тепловому режиму в них и в результате ограничить мощность излучения. Таким образом, активные элементы должны обеспечивать требуемую выходную мощность при достаточно высоких значений КПД (порядка 40 — 50 %) и коэффициента усиления (порядка 15-30 дБ).
Для формирования заданной диаграммы направленности (ДН) передающий канал модуля должен включать в себя управляемые аттенюатор и фазовращатель. Аттенюатор необходим как для выравнивания коэффициентов усиления1 отдельных каналов, так и для формирования расширенного центрального лепестка диаграммы направленности. При помощи фазовращателей создается необходимое распределение фаз излучаемого сигнала для формирования основного лепестка диаграммы направленности и электрического сканирования.
Для получения СВЧ мощности в несколько ватт в выходных усилителях применяются мощные полевые транзисторы с током потребления порядка нескольких ампер. Тепло выделяется не со всей поверхности МИС, а только в активной области транзистора. При токах в несколько ампер остро стоит вопрос отвода теплового потока именно из под транзистора. Для снижения тепловыделения и повышения КПД выходные каскады усилителей отключаются на время работы модуля в режиме приема. Для получения необходимого Ку модуля в передающем канале применяются предварительные усилители мощности, которые менее мощные и, как правило, не требуют модуляции питания. Таким образом в передающем канале должны быть усилитель мощности, предварительный усилитель, аттенюатор и фазовращатель.
К приемному каналу предъявляются жесткие требования по уровню шума. Для увеличения дальности обнаружения цели необходимо не только излучать мощный сигнал, но и различать на уровни шумов отраженный импульс. Нельзя бесконечно увеличивать Ку приемника, наращивая каскады усилителей, они будут усиливать и собственный шум. Поэтому в приемном канале должен быть малошумящий усилитель (МШУ) с низким коэффициентом шума. Для защиты МШУ от мощного входного сигнала перед ним должно стоять защитное устройство. Для формирования заданных диаграмм направленности в приемном канале также должны присутствовать аттенюатор и фазоварщатель.
Для снижения расфокусировки АФАР при работе в широком диапазоне температур возможно - использование одних и тех же управляющих элементов (аттенюатора и- фазовращателя) как в передающем канале, так и в приемном. С помощью фазовращателя- и аттенюатора осуществляется электрическое сканирование лучом, формируется заданная диаграмма направленности: Для обеспечения максимальной дальности обнаружения цели формируется диаграмма направленности с одним узким центральным лепестком и минимальными боковыми. Ошибки установки фазового и амплитудного распре деления приводят к уменьшению коэффициента направленного действия (КНД) антенны. Как правило, достаточно- использование пятиступенчатых фазовращетелей с минимальным дискретом 11,25 и погрешностью х/г младшего разряда. Современные фазовращатели представляют собой кристалл GaAs включающий- в себя фазосдвигающие отрезки линий и драйвер управления. Это позволяет управлять кристаллом стандартными сигналами положительной полярности. Аттенюатор так же представляет сбой кристалл с секциями ослабления и драйвером управления;
Современные бортовые РЛС с АФАР иностранного производства [20] представлены в таблице 1. Рассмотрим некоторые из них более подробно. Фирма Raytheon в 2000 году начала разрабатывать радиолокационную станцию AN/APG-79 (рис. 5 а). По плану компании в 2006 году необходимо было провести оценку боевых возможностей станции, а с 2007 года поставлять данную станцию на вооружение. Сейчас AN/APG-79 комплектуются все палубные многоцелевые истребители F/A-18E/F Super Hemet военно-морских сил США.
Электромагнитная совместимость и устойчивость компонентов приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток X-диапазона в условиях сверхплотного монтажа в радиогерметичных отсеках
Уравнение теплопроводности (2.5) для термопараметрических материалов по форме записи совпадает с уравнение теплопроводности для материалов, тепловые параметры которых неизменны в процессе нагрева [50, 51], единственным отличием уравнения (2.5) является зависимость тепловых параметров от температуры нагрева. Необходимо заметить, что фиксация температуры нагрева активного элемента ГШМ в рабочем режиме позволяет при исследовании процесса интенсификации процесса теплоотдачи с поверхности ГШМ в окружающую среду использовать линейное уравнение теплопроводности: _L.a)=v2f(r,r) + & , (2.6) ат дт Яг где ат = -1— - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения1 изотермы температуры в твердом материале.
Решение уравнений теплопроводности (2.5) и (2.6) должны удовлетворять граничным условиям. Внутренняя краевая задача теплопроводности может быть решена при четырех граничных условиях. Граничное условие I - рода (условие Дирихле) определяет температуру на внешней поверхности материала S в любой момент времени [52]: ts(r,T) = pl(r,r) \s (2.7)
Граничное условие Г — рода не имеет широкого практического применения и в основном используется при тестировании численных методов решения задач теплопроводности, а также при определение теплового сопротивления многослойной стенки и теплового потока в ней. Граничное условие II - рода (условие Неймана) определяет величину теплового потока на теплоотдающей поверхности нагреваемого тела: qv(r,T) = (p2(r,T)\s (2.8) это представляет интерес при решении задач теплоизоляции нагреваемого материала, то есть при предотвращении потока тепловой энергии с поверхности нагреваемого тела в окружающую среду - #?2(AT)S=0 идеальная теплоизоляция, а также при создании конструкции системы охлаждения нагреваемого тела, повышающей тепловой поток с поверхности тела в окружающую среду. Наибольшей практический интерес представляет граничное условие III — рода, которое описывает теплообмен между нагреваемым телом и окружающей средой [53, 54]: AT - = aTW,r)cp)l (2.9) on где ат — коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; tcp — температура окружающей среды; п — нормаль к теплоотдающей поверхности. Граничное условие III — рода (условие Ньютона) является более общим условием нежели граничные условия I - рода (2.7) и II — рода (2.8). Так при aj — 0 из соотношения (2.9) следует условие идеальной теплоизоляции нагреваемого материала dt (7 т) (граничное условие II - рода), а при q„s = 0 ( "v =0) граничное условие дгг определяет температуру теплоотдающей поверхности, то есть граничное условие I — рода. Основную трудность при использовании граничного условия III - рода представляет определение коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением, который представляет собой многопараметрическую зависимость от геометрии нагреваемого образца и его физических параметров, а также от состояния и свойств окружающей среды (охлаждающей жидкости).. Как показано в работах [55, 56], коэффициент ат зависит от двенадцати физических параметров, что усложняет его определение применительно к заданному тепловому процессу. Кроме того, коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением существенно зависит от температуры нагрева материала и при температуре выше 200С становится нелинейным, поскольку превалирующем в ат является лучевая составляющая, которая, согласно закона Стефана -Больцмана пропорциональна четвертой степени температуры, что значительно усложняет решение внутренней краевой задачи теплопроводности. В связи с этим, при расчете коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением ат в сложных нагревательных системах, таких как приемо-передающий модуль АФАР используется теория подобия, в основе которой лежат безразмерные критерии Био (Ві), Грасгофа (Gr), Прандтля (Рг), Нуссельта (Nu) и др. [57, 58]. Граничное условие IV - рода определяет теплообмен между соприкасающимися твердыми телами вследствии теплопроводности и требует равенства температур и тепловых потоков на поверхности идеального теплового контакта — S: t,(r,T) = tl+l(r,T) \Si /tr. —д п+і Z on on (2.10) где S, - поверхность теплового контакта между i-ым и (і+1)-ьім слоями твердого тела; XTl и lTi+i — коэффициенты теплопроводности і-го и (і+1)-го слоя. Граничное условие IV — рода представляет большой интерес при расчете теплового поля приемо-передающего модуля АФАР, поскольку для снижения установившейся температуры активного элемента, он расположен на медной пластине, обладающей высокой теплопроводностью. Необходимо отметить, что при решение внутренней краевой задачи теплопроводности (ВКЗТ) для ППМ АФАР используются граничные условия III — рода и IV — рода.
Кроме того решение ВКЗТ для приемо-передающего модуля должно удовлетворять начальному условию: t(r,T) = p3(r,r) 1_0 (2.11) Как правило, в начальный момент времени — т = 0 температура нагрева равна температуре окружающей среды {ср3 = tcp). Таким образом, уравнение теплопроводности (2.5), (2.6) в совокупности с граничными условиями (2.7) -(2.10) и начальным условием (2.11) составляют математическую модель процесса теплопередачи и нагрева приемо-передающего модуля АФАР, решение которой позволит определить тепловое поле данного СВЧ -устройства, а следовательно оптимальный режим работы и интенсифицировать процесс передачи тепловой мощности от активного элемента в окружающую среду, что позволит для заданной температуры нагрева активного элемента ППМ увеличить уровень излучаемой СВЧ мощности, то есть расширить потенциальные возможности ППМ АФАР.
Распределение теплового поля, рабочий режим приемно-предающего модуля во многом определяются величиной удельной плотности тепловых источников - qv(f,r), то есть неоднородной частью уравнения теплопроводности (2.6). Как показано в работах [59, 60], значение qv(r,r) для СВЧ - устройств определяется из закона сохранения энергии электромагнитного поля. Уравнение баланса энергии для термопараметрических1 сред получается из первых двух уравнений Максвелла:
Алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных СВЧ - устройств методом конечных и объемных элементов и методом конечных и объемных разностей
Рассмотрим стационарный режим нагрева монолитной интегральной схемы (ді/дт = 0) на основе однослойной прямоугольной пластины с поверхностным источником тепловой мощности. Данная модель, как показано в разделе 2.1, наиболее полно имитирует монолитную интегральную схему выходного усилителя мощности ППМ расположенную на медном основании и позволяет определить тепловые потоки от активного усилительного элемента к теплоотдающей внешней поверхности ППМ, то есть режим охлаждения МИС, а также оценить влияние медного основания и металлического корпуса ППМ на температуру нагрева усилителя СВЧ мощности и определить пути интенсификации процесса теплообмена МИС с окружающей средой. Кроме того, данная модель позволяет определить пространственное распределение теплового поля в прямоугольной пластине при различном расположении теплового источника на поверхности пластины, что позволяет на основе принципа суперпозиции определять реальное1 тепловое поле в МИС при действии всей последовательности цепочки усилителей СВЧ мощности ППМ. Расчет теплового поля-, проведем с учетом особенностей конструкции ППМ. Корпус исследуемого приемо-передающего модуля выполнен из алюминия, размеры которого составляют: ширина - 64 мм; длина - 130s мм; толщина — 8 мм. Основным источником тепла в данном модуле является выходной усилитель СВЧ мощности выполненный в виде монолитной интегральной схемы на арсениде галлия, габаритные размеры которого составляют: ширина -4,29 мм; длина - 4,94 мм; толщина - 0,1 мм. Таких усилителей в приемопередающем модуле четыре, по одному в каждом передающем канале. Бескорпусные СВЧ — элементы, выполненные на кристаллах арсенида галлия либо кремния, (монолитная интегральная схема (МИС) усилителя мощности) монтируются в корпус при помощи дополнительного основания. Как правило, основание под СВЧ — элементы представляют собой прямоугольные пластинки из ковора.
На рис. 34 представлена блочная тепловая модель приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона. Монолитные интегральные схемы усилителей СВЧ мощности расположены на верхней поверхности медной прямоугольной пластины (рис. 34 б) поз. 1, 2, 3, 4) на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом они одинаковы по форме и в каждом из усилительных модулей выделяется одинаковая тепловая мощность. Это означает, что тепловые потоки от первого модуля ко- второму, от второго к третьему- и от третьего к четвертому и наоборот равны между собой. То есть прямые линии - z=bj; b2; Ьз являются- осями симметрии теплового поля1 на-, которых справедливо условие-экстремума — 8t/dz = 0, а это условие1 является условием идеальной теплоизоляцией нагреваемого материала (граничное условие II рода). Аналогичное условие наблюдается и на торцевых поверхностях при z=0 и z=b, в силу малой толщины пластины и незначительной теплоотдачи конвекцией и излучением с данных поверхностей по сравнению с верхней и нижней поверхностями. Это означает, что расчет теплового поля приемо-передающего модуля можно провести для четвертой части прямоугольной пластины (0 z bj или bi z b2 и т.д.) с одиночным поверхностным» источником тепловой мощности, что упрощает исследование тепловых процессов в ППМ. В данном случае расчет теплового поля в ППМ может быть проведен как на основе однослойной (для медной пластины) так и двухслойной (для медной и алюминиевой пластины) тепловой модели. Тепловая мощность, выделяемая в ППМ с учетом импульсного режима работы СВЧ — устройства (в паузе между импульсами питание на усилитель не подается) с использованием закона сохранения энергии определяется следующим образом: Гпот - п \- -xS где Рпот — тепловая мощность, рассеиваемая в усилителе; РШ1 — излучаемая СВЧ мощность; Рп0д — подводимая к усилителю СВЧ мощность; Рпж_ - подводимая мощность постоянного тока; О — скважность излучаемых радиоимпульсов. Блочная тепловая модель приемо-передающего модуля АФАР а) 1 - медная пластина (Ат=390 Вт/м град; cf=380 Дж/кг град; рг=8930 кг/м3), -5 2 - алюминиевая пластина (Af=210 Вт/м град; ст=900 Дж/кг град; рг=2700 кг/м ). 5»- X 2 мм Змм б) 1, 2, 3, 4 - монолитные интегральные схемы усилителей СВЧ мощности. рис. 122 Подставляя в соотношение (3.1) значения рабочих параметров (Pnod = 0,1 Вт; Ршч = 8 Вт; РПт 33,6 Вт; Q = 10) получим: Рпот = 2,57 Вт, (3.2) Соответственно, удельная плотность тепловых источников в объеме монолитной интегральной схемы определяется согласно (3.1) следующим образом: ?v=%S (3.3) где Vo - объем поверхностного источника тепловой мощности (усилитель СВЧ мощности). Определив таким образом qv, то есть неоднородную часть уравнения теплопроводности, можно с помощью соотношений (2.90) — (2.95) определить тепловое поле МИС 111 ЇМ АФАР на основе однослойной и двухслойной тепловой модели с учетом симметричности расположения усилительных модулей в ІДІМ.
При исследовании теплового поля приемо-передающего модуля необходимо учитывать следующую особенность конструкции ППМ, существенно влияющую на пепловые процессы в монолитной интегральной схеме. Это использование в качестве согласующего по физическим свойствам промежуточного слоя между усилительным элементом, выполненном на подложке из арсенида галлия, и медной пластиной. В данной конструкции ППМ в качестве согласующего элемента используется ковар (металлические пластины из ковара), обладающий более низким, чем медь коэффициентом теплопроводности (Яков=17 Вт/м град; Яиес)=390 Вт/м град), но очень высокой степенью согласованности по коэффициенту линейного расширения с арсенидом галлия, что при нагреве не приводит к возникновению термоупругих напряжений, а, следовательно, к повреждению кристалла усилителя мощности. Использование металлов с более высоким значением коэффициента теплопроводности (медная и алюминиевая пластины) требует использование специальных клеевых составов, обладающих достаточной эластичностью после полной полимеризации и позволяющие снизить термоупругие напряжения, вызванные рассогласованием коэффициентов линейного расширения полупроводникового кристалла и металлического основания, при этом используемый клеевой состав обладает приемлемым значением коэффициента теплопроводности (1ад=23 Вт/м град).
На рис. 35- приведены структуры теплового поля симметричной четверти приемо-передающего модуля (рис. 34) для трех типов металлических оснований - ковар (рис. 35 а), медь (рис. 35 б), алюминий (рис. 35 в) при удельной плотности тепловых источников qjr=Pnom/A и естественной- конвекции в свободное пространство (воздушная среда). Коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением при расчетах брался - сс ЮВт/м град, (без принудительного воздушного охлаждения) как для верхней, так и для нижней поверхностей. Как следует из рис. 35, максимальная температура нагрева- в ГШМ наблюдается в области расположения источника тепловой мощности (усилителя СВЧ мощности), а минимальная температура нагрева наблюдается в наиболее удаленной от источника тепла области ППМ, при этом максимальный градиент температуры Atmax—tBmaxHmm {te — температура нагрева верхней поверхности, a tH — нижней поверхности приемо-передающего модуля) составляет Atm 75 С(для ковара); Лґотах= 8 С (для алюминия) и Atmax= 4 С (для меди). То есть с увеличением коэффициента теплопроводности металлического основания максимальная температура нагрева усилителя СВЧ мощности снижается. Наибольший эффект наблюдается при использовании медной пластины. Однако при этом средняя температура нагрева пластины ППМ остается практически неизменной — tcp= 1Ъ С. Данное положение определяется теплоемкостью воздушной среды при естественной конвекции. В таблице 5 приведены данные расчета максимальной — tmax, минимальной - tmm и средней - tcp температуры нагрева ППМ при различных режимах охлаждения
Нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона
В температурном диапазоне 20 — 120С для всех измеренных образцов постоянная, определяемая механизмом рассеивания, имела значение р = -0,7. Используя соотношения (9), (10) можно найти температуру нагрева кристалла. Поэтому, для калибровки предложенного метода достаточно однократного измерения затворного напряжения при известной температуре кристалла, то есть определения коэффициента А] в выражениях (9), (10), который для каждого кристалла индивидуален.
Таким образом, предложенный подход позволяет контролировать температуру кристалла усилителя без введения каких либо дополнительных элементов, то есть без нарушения электромагнитной совместимости бескорпусных СВЧ элементов. Проводить корректировку коэффициента усиления. А при достижении критической температуры отключать питание усилителя до того как он выйдет из строя из-за перегрева.
При многофункциональности модулей нагрев прибора зависит от выбранного режима работы. В зависимости от режима работы исследуемый модуль может выделять от 3 до 144 Вт. Это не позволяет использовать радиаторы с фиксированным отводом тепла, т.к. для каждого режима работы необходимо отводить именно столько тепла, сколько выделяет модуль. Использование активных систем охлаждения требует применения алгоритма управления, способного стабилизировать температуру модуля. Необходимым условием работы системы охлаждения является выполнение условия: максимальный отводимый тепловой поток должен быть больше или равен наибольшему тепловому потоку выделяемому модулем.
Наиболее простой алгоритм: установить порог включения и порог выключения вентилятора. После включения модуля температура начнет повышаться. При достижении верхней установленной границы включится вентилятор на максимальную скорость. Но температура , за счет инертности процессов, еще немного увеличится, после чего начнется ее быстрое снижение. По достижению нижней границы вентилятор выключится.1 Температура снова будет расти. Таким образом значение температуры будет находиться в заданном пределе, с небольшими выбросами из-за инертности тепловой системы. Существенным недостатком данного алгоритма стабилизации является то, что температура не фиксируется, а постоянно колеблется в заданном интервале температур. Сужение данного интервала приводит к учащению срабатываний переключателя, что в свою очередь приводит к ускоренному износу механических частей.
Для регулировки скорости вращения вентилятора, а следовательно и регулировки отводимого в окружающую воздушную среду количества теплоты, разработана схема управления с адаптивным алгоритмом управления. На рис. 55. показан алгоритм работы программы управления: 1 - измерение температуры в момент времени ti; 2 — вычисление разницы между заданной и измеренной температурами AT; 3 - измерение температуры в момент времени t2; 4 - вычисление первой производной зависимости температуры- от времени дїІді\ 5 — на основании вычисленных AT и dTldt принимается решение увеличить, уменьшить или оставить без изменений обороты вентилятора; 6 -увеличение оборотов вентилятора; 7 - уменьшение оборотов вентилятора; 8 — оставить обороты вентилятора без изменений.
На рис.56, показаны характерные зависимости температуры от времени при двух различных начальных условиях. Линия ТОЇ соответствует случаю, когда начальная температура значительно превышает заданную. В этом случае устанавливаются максимальные обороты вентилятора. Температура начинает быстро падать. По мере приближения к заданному значению скорость вращения вентилятора понижается. При достижении заданной температуры скорость вращения вентилятора подбирается такой, при которой- производная равна нулю. Так достигается- асимптотическое приближение к заданной температуре. В случае, когда начальная температура ниже заданной (линия Т02) вентилятор начинает вращаться только при приближении к заданной температуре. Контроль производной позволяет подобрать такие обороты вентилятора, при которых отводимый системой охлаждения тепловой поток равен тепловому потоку, выделяемому модулем, независимо от его величины.
Регулирование скорости вращения вентилятора осуществляется широтно импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ - это модуляция (управление) напряжением или током путем изменением ширины импульсов при неизменной их величине [100]. Применение ШИМ позволяет регулировать мощность в нагрузке. Регулирование мощности осуществляется изменением среднего времени подачи питания в нагрузку. При этом коммутирующий (включающий -выключающий) нагрузку транзисторный ключ работает в ключевом режиме и поэтому на нем выделяется минимум тепла [101].
Внешний вид разработанной оправки показан на рис. 57. Оправка представляет собой алюминиевый радиатор, на верхней грани которого располагается крепежное устройство фиксации измеряемого модуля за штатное крепление. Датчик температуры расположен в непосредственной близости к поверхности, в месте максимального тепловыделения. На торце радиатора расположен вентилятор охлаждения. Приборная панель с индикатором и ручкой управления расположена на передней грани радиатора.
