Ku波段多路大功率放大器热设计*

王加路，吴 强，赵树伟

(中国电子科技集团公司第四十一研究所， 山东 青岛 266555)

Ku波段多路大功率放大器热设计*

王加路，吴 强，赵树伟

(中国电子科技集团公司第四十一研究所， 山东 青岛 266555)

功率放大器是雷达、通信、导航等信号发射系统的重要部件之一，随着其大功率、小型化、集成化、高可靠性要求的提高，大功率放大器的散热性能成为制约其进一步发展的重要因素。文中基于CFD热仿真软件Flotherm对某Ku波段多路大功率放大器进行热设计，讨论了传热学的基本理论，进行了系统散热方案设计以及放大器腔体结构热设计，优化了散热器结构尺寸。最终在35 ℃环境温度下，对放大器进行稳态热仿真，得到了功率放大芯片的温度以及散热风扇的风速，仿真结果表明，该设计满足系统的热设计要求。

多路大功率放大器；Flotherm；热设计

引 言

功率放大器作为雷达、通信、导航等信号发射系统的重要部件之一，其主要作用是在要求的发射频率上将信号放大到足够的发射功率以实现远距离传输[1]。通常，单片功率放大芯片受半导体物理特性、散热、工艺等问题的限制，输出功率、输出效率有限。为此，大功率放大器通常采用多路逐级放大、功率合成的技术[2-3]。

对于多路大功率放大器，信号发射系统对输出功率要求提高的同时，对放大器的结构尺寸也要求小型化、集成化。在输出效率一定的条件下，输出功率增大将直接导致整机耗散功率的增加。此外，小型化、集成化导致多片尺寸较小的功放芯片集中分布，芯片处热流密度大幅增加，导致系统发热严重，芯片节温较高。研究表明随着温度的升高，电子设备的失效率成指数增长[4]。因此，大功率放大器的散热性能成为制约其指标实现的重要因素。合理的热设计与热分析对大功率放大器设计具有重要的作用。

1 传热学基本理论

热量传递是由于温差而产生的能量传递。热量传递的方式可分为传导、对流、辐射3种。

热传导是由于物体内部的温度梯度引起的热量传递，根据热传导的傅里叶定律，可由式(1)表达[5]。

(1)

式中：q为热流密度，W/m2；T为物体内部温度，K；x为物体等温面法向坐标，m；k为导热系数，W/(m·K)，是由物质的温度、材质、状态等决定的固有属性。在给定材料、边界条件、初始条件后，通过热传导传递的热量很容易仿真计算。

对流传热是由于流体的移动引起的热量传递，根据牛顿冷却定律可由式(2)表达[5]。

q=h(T1-T2)

(2)

式中：T1为固体表面温度，K；T2为冷却流体温度，K；q为局部热流密度，W/m2；h为对流传热系数，W/(m2·K)。对流传热系数不同于导热系数，流动状态下因物体表面各处性质不同，对流传热系数在各局部也不同。

辐射传热指物体通过电磁波向空间传递热量，属于非接触传热。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，物体的辐射能可由式(3)表达[5]。

q=εσT4

(3)

式中：T为物体表面温度，K；q为辐射热流密度，W/m2；ε为发射率；σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，W/(m2·K4)。物体表面之间的辐射换热仿真计算极为复杂，且本文所述多路大功率放大器采用强迫风冷散热，热传导和对流是主要的传热方式，故在本文热分析中不考虑辐射传热。

2 结构热分析与热设计

2.1 整机结构热设计

本文所述某Ku波段多路大功率放大器整机结构如图1所示。为保证整机整体重量、强度、刚度、电磁兼容性等要求，腔体采用比重小、热传导率大的6061铝合金整体加工成型，各模块安装其中。电源和功率放大器是整机最大热源，其产生的热量主要经过底壁通过热传导传至散热器，最终通过4个风扇强迫风冷散至周围环境中。

图1 放大器整机结构

2.2 热源分析

功率放大器采用7个功率放大芯片进行3级功率放大，并最终通过功率合成器进行空间功率合成。每个功率放大芯片热损耗约为40 W，尺寸为12 mm × 12.9 mm × 5.2 mm；电源热损耗约为75 W，尺寸为117 mm × 56 mm × 12.7 mm。可计算出单个芯片的体积功率密度约为电源的55倍，且7个功率放大芯片集中安装在放大器腔体中，因此放大器芯片为散热的关键器件。

2.3 放大器腔体结构热设计

放大器腔体结构如图2所示。主视图阴影处为功放芯片安装处，功放芯片均匀分布在腔体上，以避免热源集中导致局部过热。芯片下方的腔体采用实心结构，7个芯片的热量通过腔体直接传导至整机底部散热器，可减少传导热阻。底部其他部分掏空，安装控制电路板并为整个模块减轻重量。此外，安装过程中芯片底部以及腔体底部均涂抹导热脂以减小接触热阻。

图2 放大器腔体结构

3 仿真建模与边界条件设置

3.1 仿真模型简化与网格划分

热分析前需对整机模型进行简化，忽略倒角、螺钉孔等细节特征，删除电缆、接头、印制板等对系统散热影响较小的部件。将简化后的模型导入Flotherm，并划分网格。Flotherm采用结构化网格划分，为不影响仿真精度的同时提高仿真速度，基础网格采用中等精度网格划分，并设置好网格平滑过渡。为得到更准确的结果，腔体、散热器、芯片通过局域化网格划分进行局部网格加密，划分好网格的模型如图3所示。

图3 仿真模型网格划分

3.2 边界条件设置

放大器实际工作在室温20 ℃～30 ℃，为保证设计余量，仿真中设置环境温度为35 ℃。压力边界条件设置绝对压力为101 325 Pa，相对压力为零。腔体及内部各模块材料均为6061铝合金，其导热系数设置为180 W/(m·K)。

3.3 风扇参数对比

根据整机结构尺寸选择ADDA系列的7015以及8015两种风扇进行对比仿真。风扇特性曲线如图4所示，将其导入Flotherm可以发现，相同静压条件下，8015风扇的风量约为7015风扇的1.2～1.3倍。

图4 风扇特性曲线

4 仿真结果分析与优化

4.1 设计目标

如前所述，降低功放芯片的温度，使其工作在合理温度范围内是本多路大功率放大器热设计的重点。所选功放芯片的额定功率减额曲线如图5所示，在耗散功率为40 W的前提条件下，芯片壳温需保证在80 ℃以下。

图5 芯片额定功率减额曲线

4.2 仿真结果分析

图6为2组风扇的仿真结果。芯片、电源产生的热量按照所设计的热传导路径经过腔体传导至散热器，最终通过4组风扇强迫风冷散至周围环境中。理论上，对于给定的散热结构，强迫对流的风量越大，散热效果越好。仿真结果显示，采用4个ADDA7015风扇散热，芯片最高温度为88.4 ℃，最大风速为6.93 m/s；采用4个ADDA8015风扇散热，芯片最高温度为87.9 ℃，最大风速为7.27 m/s。采用ADDA8015风扇散热，芯片温度虽有所降低，但仅降低0.5 ℃，且芯片最高温度均大于80 ℃，不满足设计要求。

图6 仿真结果

4.3 散热器优化

前面仿真可知通过提高风扇的风量改善散热的效果有限，需要增加散热面积。如图7所示，在现有结构形式下，增加散热器高度H1，减小散热器基板厚度H2，增加肋片厚度S1，减小散热器肋片间距S2，改用亚泰SRX-YCT散热器替换之前的SRX-YFE散热器。两组散热器尺寸对比如表1所示。相比SRX-YFE，SRX-YCT的单位长度L的有效散热面积A增加了41%。更换散热器后仿真结果如图8所示。

图7 散热器结构尺寸

散热器型号H1/mmH2/mmS1/mmS2/mmA/cm2SRX-YFE214.82.44.811.47SRX-YCT254.02.54.516.17

图8 更换散热器后仿真结果

仿真结果显示，增加散热器散热面积后，采用4个ADDA7015风扇散热，芯片最高温度为76.8 ℃，最大风速为7.98 m/s；采用4个ADDA8015风扇散热，芯片最高温度为75.7 ℃，最大风速为8.34 m/s。改善散热器结构后，并没有增加风扇风阻，反而改善了风扇风道，提高了风速，且芯片最高温度下降至80 ℃以下，达到了系统热设计目标，并有一定设计余量。虽然增加风扇风量改善散热效果同样有效，但受限于整机尺寸要求，散热器尺寸已趋极限。改选散热器后系统热设计方案可行，满足了设计要求。

5 结束语

多路大功率放大器热设计首先要明确功放芯片的热设计要求，在有限的结构尺寸下，尽量避免热源集中分布；其次要在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，确保热量能够快速传出；最后在散热通道确定后，通过优化风扇风量、散热器尺寸等强迫风冷散热参数，确保热量能够有效散至周围环境中。本文针对某Ku波段多路大功率放大器进行了热设计研究，最终在35 ℃环境温度条件下，仿真得出芯片的最高温度降至80 ℃以下，满足了热设计要求。对于更大功率放大器的热设计，可在本设计基础上在放大器与散热器之间预埋高导热系数的热管以降低传导热阻，也可进一步优化散热器尺寸以提高散热效果。

[1] 高永辉, 刘英坤, 李俊敏. P波段长脉宽小型化大功率模块研制[J]. 半导体技术, 2013, 38(2): 126-129.

[2] 陈会林, 谢小强. 一种基于径向波导的Ka波段宽带功分器设计[J]. 微波学报, 2010(S1): 258-261.

[3] 陈昌明, 徐军, 王天宝. Ka频段6 W固态集成功放的热分析与设计[J]. 电子科技大学学报, 2007, 36(4): 714-715, 719.

[4] 方志强, 付桂翠, 高泽溪. 电子设备热分析软件应用研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2003, 29(8): 737-740.

[5] 余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2000: 3-20.

王加路(1988-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为大功率电子设备热分析与热设计。

Thermal Design of Ku-band Multiplex High Power Microwave Amplifier

WANG Jia-lu，WU Qiang，ZHAO Shu-wei

(The41stResearchInstituteofCETC,Qingdao266555,China)

Microwave amplifier is one of the key components of signal generator system used in radar, communication, navigation and so on. With greater requirements for high power, miniaturization, integration and reliability, the thermal performance of high power amplifier gradually becomes a main factor limiting its further developments. Based on CFD software Flotherm, thermal design of a Ku-band multiplex high power microwave amplifier are carried out in this paper. Basic theories of heat transfer are discussed. Cooling system design of the amplifier and thermal structure design of its cavity are carried out. The structure and size of the heat sink is optimized at last. Eventually, steady thermal analysis of the amplifier is carried out at the ambient temperature of 35 ℃, the temperature of amplifier chips and the air flow speed of cooling fans are obtained, it reveals that the thermal design of this amplifier satisfies its thermal requirements.

multiplex high power microwave amplifier; Flotherm; thermal design

2015-08-10

TK124

A

1008-5300(2015)05-0023-04