CN102315506A - 使用波导空间合成的高功率放大器的集成散热系统 - Google Patents

Abstract

一种新型的用于空间合成放大器的散热设计。该设计通过将热管或者具有高导热系数的材料植入构成放大器的卡的内部，降低卡的热阻抗；同时将液体制冷的散热系统直接植入放大器内部，提高系统的散热能力。使用这种新型散热结构适用用于高功率的放大器设计中，在实现系统小型化的同时，能够有效降低系统内部温度，提高系统的寿命。

Description

使用波导空间合成的高功率放大器的集成散热系统

所属技术领域

本发明专利涉及一种高功率放大器的散热系统设计技术，可广泛用于微波和毫米波系统中。

背景技术

使用波导结构的空间合成功率放大器具有合成单元数量大，合成效率高等优点，适于大功率合成。随着对于总的输出功率的要求逐渐增大，其合成结构中使用的放大器单元的输出功率也要求有很高的输出功率，特别是对于高功率的宽带放大器，每个放大器单元的效率都较低。随着放大器单元输出功率的增加，其产生的热量也会大大增加，整个放大器所产生的总热量也会增加到达到传统的散热方式无法有效消除的程度。这样每个功率放大器单元都会工作在很高的温度，导致系统寿命大大降低，可靠性无法保证。因此解决散热问题是提高系统输出功率的关键。

发明内容

本发明专利提供一种新型的用于空间合成放大器的散热设计。该设计通过将改善放大器内部的导热性能，同时将散热系统直接植入空间合成放大器内部，将有效的降低空间合成放大器内部的热阻抗，降低系统尺寸，提高系统的散热能力。使用这种新型散热结构可以被用于高功率的放大器设计中，能够有效保障内部放大器单元的工作温度，提高系统的寿命。基于该设计的空间合成功率放大器具有输出功率高，体积小和寿命长等优点，适合于替代传统的行波管放大器。

使用同轴腔结构的空间合成放大器具有超宽带的特性，其覆盖的波段可以达到10倍频程。但是由于宽带放大器单元普遍具有效率低的特点，使用同轴空间合成结构的高功率放大器将面临产生热量过高，放大器单元寿命大大缩短的问题。

由于使用同轴腔结构的空间合成放大器的机械结构特殊，是由多片具有楔形截面的卡式结构构成一个同轴波导。每片卡上面有输入和输出两个槽，中部保持连通。其热量产生于位于卡的中部连通桥上的放大器单元，然后沿径向传导至同轴波导外表面，再传导到外部的夹钳，最后通过安装在夹钳上的散热片将热量散出。由于热量的传播路径长，导致热传导阻抗高。同时由于放大器整体结构小，外部附加的散热片散热面积有限，导致热交换系数很低，散热能力差。当放大器整体产生的热量很高时，内部的温度很快增加。

本发明专利使用具有最佳导热系数的金属制作构成同轴波导的卡，同时在卡上植入具有更高热传导系数的材料或者热管，使得热量由连通桥上有效的分布到整个卡的外表面。

由于每个卡上的放大器单元位于卡的中部，其热量传导的最短路径是从放大器单元到卡的中部的外表面。在传统的结构中，由于将直流输入端口选择在中间，散热夹钳只能选择位于同轴波导的两端，而中部并没有直接的热传导途径。这样导致由放大器单元到散热片的热传导距离过长，热阻过大。本发明专利将直流输入端口移至卡的一端，这样散热夹钳可以和卡的中部有着良好的接触，增加热传导效率，降低热阻。

在热量传导到夹钳以后，传统方式是通过附加在夹钳上散热片和风扇进行对流散热。由于空间合成放大器体积很小，所以与散热片直接想接触的夹钳面积有限，导致热交换能力不高。当总热量很大时，夹钳的温度增加很快。本发明专利将采用液态制冷的方式，在夹钳内部植入导水管或者在其内部直接加工出用于导水的空腔，然后通过循环的液态制冷方式，将热量传导到远端的散热结构，实现更为有效的散热，大大降低放大器的工作温度，同时减小系统的尺寸。

使用矩形波导的空间合成放大器可以有很高的输出功率，但是对于工作在连续波状态的系统，随着内部产生的热量增加，其效率会下降，导致内部产生的热量进一步增加，这将导致在使用传统的散热片方式散热时，散热片和风扇的体积过大。而且由于热传导路径长，热阻抗高，内部的温度即使在使用大散热系统的前提下依然无法降低。

本发明专利同样适用于使用矩形波导的空间合成功率放大器。通过在构成波导的金属卡中植入具有高导热性能的热管或者其他材料使得热量均匀分散到整个金属卡，可以有效降低系统内部的热阻抗。通过在一个或者多个金属卡内植入导水管，通过水冷(或者其他液体制冷)散热。由于这种结构将散热系统直接植入放大器内，减少了接口的数量，降低了热传导阻抗，同时使用液冷方式，相比于传统的外加散热片的方式本发明专利大大提高系统散热的能力。

这种将散热系统在功率放大器内部集成的散热方式在使用的时候，可以同时使用在卡上植入热管或者高导热材料和加入水管的方式，也可以只使用其中一种改善散热的方式。同时这种集成散热系统于放大器内部的模式也可以用于其他结构的放大器。

本发明专利的有益效果是，保持了空间合成放大器结构小的特点，同时大大改善了散热特性，降低了内部放大器单元的工作温度，有效提高了放大器的寿命和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步说明。

图1是传统的基于同轴波导的散热方式示意图。

图2是传统的组成中部同轴波导的卡的示意图。

图3是在楔形卡上植入热管改善散热的结构图。

图4是在楔形卡上植入具有高导热系数的材料的结构图。

图5是在楔形卡内加入导水管的结构图。

图6是可用于液态循环制冷的夹钳结构图。

图7是用于空间合成结构的液态制冷结构图。

图8是传统的基于矩形波导的空间合成放大器结构图。

图9是在矩形卡上植入热管改善散热的结构图。

图10是在矩形卡上植入具有高导热系数材料的结构图。

图11是在矩形卡上植入导水管的结构图。

图12是使用矩形波导的放大器的液态制冷结构图。

具体实施方式

在图1中，一个背景技术中介绍的基于同轴空间合成的放大器1由以下几部分组成：输入同轴接头2，输入同轴渐变波导3，中部合成同轴波导4，输出同轴渐变波导5，输出同轴接头6，和两对夹钳7。中部合成同轴波导由两对夹钳固定，同时中部合成同轴波导内部产生的热量先传导到中部同轴波导的外表面，再传导到夹钳，然后通过夹钳上的散热片消散到空气中。而且由于为同轴腔内部放大器提供电源的穿心电容8位于构成中部同轴波导的卡9的中央，所以夹钳只能放置于中部波导的两端。而由于内部的放大器单元位于卡的中部，所以热传导路径长，内部温度高。

图2中，一个背景技术中介绍的组成中部合成同轴波导的卡20包括金属基板21，输入异面鳍线天线22，放大器单元模块23和输出异面鳍线天线24组成。放大器单元模块23产生的热量先传到到金属基板的中央连接上下两部分的金属桥25，然后沿着金属基板外导体26传导到楔形卡的外表面27。由于金属基板宽度有限，热量主要集中于金属基板的中央部分，虽然沿着金属基板的外侧有一定的横向传导，但是热量向金属基板的边缘传导有限，仍然集中于金属基板的中部，不能充分利用整个金属基板的外表面。

随着对于功率放大器输出功率要求的提高，每个放大器单元的输出功率也大为提高，同时产生的热量也大大增加。由于半导体器件需要保持沟道工作在一定的温度范围以内以保证半导体器件的可靠性，因此每个卡和整个放大器的散热性能都需要提高。

图3中是内部植有热管的卡30的结构图。在金属基板31内靠近同轴外表面的一侧植入一个或者多个热管32。热管的一端靠近金属基板的中心，位于放大器单元的下方，热管的另一端靠近金属基板的一端。由于热管具有远远高于普通金属的导热系数，由放大器单元产生的热量的一部分由热管传导到金属基板的两端。通过热管导热的热电阻远小于沿金属基板传导的热电阻，这样放大器单元产生的热量就可以均匀的分布到金属基板的外表面，增加了热传导的截面积，降低了热电阻，防止了放大器单元的工作在过高的温度条件下。热管在靠近卡中部的的一端可以延伸到放大器单元下方，以更好地提高导热性能。

图4是内部植有高导热材料的卡40的结构图。某些材料，如石墨，金刚石等具有很高的导热系数，特别是横向的导热系数是普通金属材料的数倍甚至10倍以上。将高导热系数的材料41植入金属基板42内，可以起到和热管一样的降低热量沿卡的金属基板的外延传播的阻抗，使得热量沿金属基板的外表面有着较均匀的分布，提高导热效率。高导热材料的形状可以是“T”型，也可以是一个或者多个矩形形状。在某些情况下可以使用多个高导热材料沿不同方向分布，将金属基板内部的热量分散到整个基板的外表面。

图5是内部加工有导水槽的卡50的结构图。在金属基板51内部可以加工出导水槽52，槽的两端位于金属基板的两端，在内部特别是放大器单元的下部将有着较多的弯曲，以提高热交换的效率。除了在卡上直接加工导水槽外，也可以通过在金属基板内加入导水管的方式实现液体制冷。由于液体制冷有着更高的热交换系数，能够有效的将卡内部的热量传导到放大器外部的散热系统。

图6是内部安装有有导水槽的夹钳结构图。由于放大器体积小，所以夹钳的体积有限，其上加工出的散热片的表面积小。当放大器内部的热量大大增加，风冷不再能满足散热的要求。由于水冷比风冷具有更高的导热系数，更有利于将夹钳内的热量传导到外部，进行有效的散热。将外部导水管61和夹钳60内安装的导水管62相连，也可以直接在夹钳内加工出导水管道与导水管61连接。用于制冷的液体可以是水，或者其他适合的液体。管道可以是沿与轴线方向垂直的方向，也可以沿轴线方向。管道联通的方式可以是多样的，也可以有一个或者多个入口或者出口。

图7是通过水冷或者其他液体散热的系统结构图。放大器70内部放大器单元阵列产生的热量先传导到中部合成同轴波导71的外表面，然后通过一对夹钳72将热量传导至夹钳。夹钳本身还起到固定中部同轴波导的作用。夹钳内部安装或者加工有导水管73，制冷用的液体通过水泵74，将热量由夹钳传至外部散热系统75。用于提供电流的穿心电容被移至中部同轴波导的一侧，使得散热夹钳可以直接和产生热量的中部同轴波导的中央相接触，降低热传导路径。该结构具有比风冷更小的尺寸，和更高的散热效率，适合高功率放大器使用。

图8是一种传统的使用矩形波导的空间合成放大器的结构图。放大器80由多个具有矩形截面的卡81组成矩形波导82。卡81由金属基板和卡上集成的输入输出天线及放大器单元组成。放大器单元产生的热量通过金属基本传导到矩形波导的外部，在通过安装在上下表面83与84的散热片，将热量散发到空气中。在放大器输出功率很高，内部产生热量很大的情况下，由于热传导路径长导致内部温度急剧增加，系统寿命降低，甚至导致系统损坏。

图9是内部植有热管的矩形卡90的结构图。由于卡的高度有限，热传导阻抗大。在卡的金属基板91上植有一个或者多个热管92，将卡中部的放大器单元产生的热量均匀分配到卡的四周。由于热管的热传导阻抗小，降低了卡内部的热阻抗。热管91也可以是直接在卡上加工而成。

图10是内部植有高导热材料的卡100的结构图。可以在卡的金属基板101内部植有一片或者多片具有高导热系数的材料102，降低卡的内部热电阻。

图11是内部植有导水管的卡110的结构图。在卡的金属基板111内部植入导水管112，或者直接加工出导水槽，通过导水管或者导水槽用液体制冷，可以大大提高卡的热交换能力。

图12是通过水冷或者其他液体散热的矩形波导放大器系统结构图。组成放大器121的卡由夹钳122和126固定，其内部安装有导水管123，制冷用的液体通过水泵124，将热量由夹钳传至外部散热系统125。该结构具有比风冷更小的尺寸，和更高的散热效率，适合高功率放大器使用。

Claims (20)

1.一种空间功率合成放大器，包括由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是在卡的金属基板内部植入了一个或者多个热管将卡上放大器单元产生的热量传导至整个卡的外围，以降低卡的热阻抗。

2.根据权利要求1所述的空间合成放大器，其特征是放大器内的热管是直接在卡的金属基板内加工而成。

3.根据权利要求1所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有楔形截面的卡构成的同轴波导结构。

4.根据权利要求1所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有矩形截面的卡构成的矩形波导结构。

5.一种空间功率合成放大器，包括由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是在卡的金属基板内部植入了一个或者多个具有高导热系数的材料将卡上放大器单元产生的热量传导至整个卡的外围，以降低卡的热阻抗。

6.根据权利要求5所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有楔形截面的卡构成的同轴波导结构。

7.根据权利要求5所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有矩形截面的卡构成的矩形波导结构。

8.根据权利要求5所述的空间合成放大器，其特征是高导热系数材料是石墨材料。

9.根据权利要求5所述的空间合成放大器，其特征是高导热系数材料是金刚石材料。

10.一种空间功率合成放大器，包括由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是在卡的金属基板内部植入一个或者多个导水管将卡上放大器单元产生的热量传导至外部散热系统，以提高系统散热性能。

11.根据权利要求10所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有楔形截面的卡构成的同轴波导结构。

12.根据权利要求10所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有矩形截面的卡构成的矩形波导结构。

13.根据权利要求10所述的空间合成放大器，其特征是放大器内的导水管由在卡的金属基板内加工出的导水槽构成。

14.一种空间功率合成放大器，包括由多个卡叠加而成的波导结构和起固定作用的夹钳，其特征是在夹钳内部植入一个或者多个导水管将波导结构内产生的热量通过导水管内液体传导至外部散热系统，以提高系统散热性能。

15.根据权利要求14所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有楔形截面的卡构成的同轴波导结构。

16.根据权利要求14所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有矩形截面的卡构成的矩形波导结构。

17.根据权利要求14所述的空间合成放大器，其特征是夹钳内的导水管由在夹钳内加工出的导水槽构成。

18.一种空间功率合成放大器，包括波导放大器及液体制冷散热系统，其特征是与放大器进行热交换的导水管道集成于波导放大器内部，成为波导放大器的一部分。

19.根据权利要求18所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有楔形截面的卡构成的同轴波导结构。

20.根据权利要求18所述的空间合成放大器，其特征是使用由具有矩形截面的卡构成的矩形波导结构。

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