大功率行波管功放的强迫风冷散热设计

　　工艺与应用大功率行波管功放的强迫风冷散热设计周明干、李琛2，杨明华1（1.北京真空电子技术研究所，北京100015；。中国交通通信信息中心，北京100094）了有限空间下大功率、高热流密度的行波管的散热难题，同时有效地降低功放的高噪音问题，并通过仿真模拟的办法优化了散热系统，提高了系统散热能力。通过采取以上措施，样机的相关参数经测量均满足设计要求。

　　行波管功率放大器散热方式主要有强迫风冷和液冷两种方式，液冷主要适用于功率量级较大的功放，由于液冷方式所需的循环散热系统相对复杂、体积较大等缺点限制了其使用的灵活性。强迫风冷适用范围更广，但存在功率量级较低、噪音大等缺点。

　　本文将重点解决风冷放大器的大功率散热和降噪问题。

　　依据用户要求，该型号放大器应该满足以下要求：9英寸标准机箱；工作频率为Ku波段；输出功率>300W；。

　　表2风机参数额定电压/V输出功率/W大流量/m3/min大压强/Pa噪声/dB额定转速/min- 1工作温度/C寿命/h 3高效散热器设计由表1可知功放的主要发热源是行波管，解决行波管散热是系统散热的重点。由上文可知行波管底板热流密度可以达到14 3W/cm2，远超出一般电子器件的4.5W/cm2.依据传热原理，本文重点采取降低界面热阻和增加散热器表面热导率两种措施，同时采取CFD仿真计算辅助优化散热通道。具体措施如下：降低传热路径的热阻，尤其是降低不同器件间的界面热阻是提高散热的有效途径。与传统的界面填充材料导热脂（导热率3W/m K）相比，金属铟具有导热率高（81.6W/mK），熔点低（156C），沸点高（2080C），其性质柔软，可塑性强，并有延展性，非常适合用于界面填充材料。

　　传统强迫风冷散热器以铝材为主，其具有质量轻，可加工性强等优点得到广泛的应用。由于其导热性能的局限性以及行波管发热热源相对集中造成散热器局部热流密度高，不利于行波管散热。为了增加散热器传导能力，本文选用某新型高效率热管，当量导热系数为1014MW/mK，轴向热流密度可达27.2MW/m2，采取高温焊接的办法固定于散热器表面铝基层内部，如所示。

　　过仿真计算比较改进前后的散热效果如所示。

　　热管深埋示意图新旧方案间的模型仿真分析通过可知，相同边界条件下采用埋热管方案的高温度可由传统方案的70.9C降低到52.3°C，降幅达18. 6C，改进方案效果明显。

　　4风机工作点的确定系统的静压曲线与风扇曲线的交点为风扇的工作点。系统的静压为空气流过系统所损失的压力，造成压力损失的原因有是空气速度的突然增加；二是空气与固体表面的摩擦；三是气流通道面积形状或是面积的突变；四是空气流道方向的改变。静压的计算方法主要有平方法则、CFD方法模拟和风洞测量等。系统某处静压是该处气体的流速平方的函数，=（177）XQ39，汐为特定一点的静压压力，单位为in-H2（249Pa）；为气体的流速，cm/s.本系统的压力损失主要集中在行波管散热器的部分，电源部分出风量小可以忽略。由于空气通道结构相对复杂，如所示，总体采取前进后出的风道方案，进出风口都采取屏蔽通风窗，提高电磁兼容性的同时增加了系统的风阻，理论计算相对复杂，本文采取CFD方法计算静压。三种不同翅片密度的静压计算结果如所示，其中静压1的翅片密度为0.25，降压2的翅片密度为0. 5，静压3的翅片密度为1，表明翅片密度越小，系统风阻越小，风机工作点趋向于大风量小风压的工作模式。

　　功放整体布局方案本文基于以上三种不同翅片密度的散热系统进行了建模和仿真，相关参数比较如表3所示。

　　表3不同翅片密度的散热效果比较参数静压1静压2静压3气体温升/°c行波管底板温度/°c本文采取静压2的翅片密度做了样机试验，实测数据如表4所示。

　　表4样机实测参数流量行波管底板温度/°c噪音/dB 6结论风机选型和散热器设计是高热流密度器件散热的关键技术，本文提出的提高散热器散热能力的相关措施经样机验证效果明显。特定系统和风机下，不同翅片密度的散热器对行波管的结温影响较大，散热系统存在优工作点，可以通过仿真计算的办法优化散热系统。