CN105611791A - 一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，各功率放大单元在空间呈圆柱形分布，腔体采用均热板结构，将放大芯片产生的热量扩散，然后由三个通道传导出去：一部分热量传导到两端的功分、合成区域，再通过安装基座传导到整机结构中，最后散发到空气中；另一部分热量传导到盖板上，利用盖板材料将热量传导到外表面，再通过热管散热机构进行集热、散热；还有一部分热量由腔体直接散发到圆柱形内部空间，由内部强制风冷将热量带离空间合成放大器。本发明的空间合成放大器内部具有优良的导热性能，避免了功率芯片因高温工作引起的寿命和可靠性的降低，并且散热系统占用空间小，重量轻，操作简单，成本较低。

Description

一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统

技术领域

本发明涉及空间合成放大器领域，特别涉及一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统。

背景技术

功率合成的方式多种多样，大体分为平面电路合成和空间合成两种形式。

平面电路合成技术是通过平面电路结构，把多个小功率放大器组合起来，实现较大的功率输出，它的优点是结构简单，但输出功率和合成效率受到很大限制，一般应用于小功率或中功率的合成器。

空间功率合成的效率较高，并且可以进行很多单元的合成，已经成为功率合成领域的研究热点。目前，国外已有32个单元的合成放大器。

由于空间合成放大器的输出功率较大，功耗也非常大，导致合成放大器内部的热流密度急剧增大，功率放大芯片作为发热源，温度会更高。而空间合成放大器的一个重要特点就是各功率放大单元呈空间分布，与整机等热沉并不直接相连，热量散发比较困难。如果没有高性能的散热系统，空间合成放大器的输出功率很难能提高上去。

目前存在的散热系统有两种：风扇强制风冷、液泵循环水冷。

现在空间合成放大器使用的材料一般采用铝合金或者铜合金，导热率在160-200W/(m.K)之间，即使采用导热率更大的纯铜，其导热率也只有400W/(m.K)，导致放大芯片产生的热量传导较慢，造成放大芯片过热，这也限制了空间合成放大器的输出功率。

风扇强制风冷是一种传统的散热方式，其供电简单，易于安装，可靠性较高，但芯片的局部过热不能得到有效的解决，使得散热效率不高。同时，由于各功率放大单元呈空间分布，强制风冷无法覆盖到每个单元，必须采用多个风扇围绕着空间合成放大器，风道相互影响，设计比较困难，并且噪音很大。只依靠风扇强制风冷的空间合成放大器，其输出功率一般都不高。

液泵循环水冷，冷却速度快，效果好，能满足大功率空间合成放大器的散热需要，但必须附加管道、液泵、储液罐、阀门、外部散热系统等设备，整个散热系统成本高、体积大，不适用于仪器等小型化设备中。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明设计了一套散热系统，降低了空间合成放大器内部的热阻，增大了空间合成放大器自身的散热能力，使得内部产生的热量不能快速的传导，而且能快速的散发出去，满足了大功率空间合成放大器的散热需要，而且体积小，不需要增加外部设备，操作方便，适用范围更加广泛。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，各功率放大单元在空间呈圆柱形分布，腔体采用均热板结构，将放大芯片产生的热量扩散，然后由三个通道传导出去：一部分热量传导到两端的功分、合成区域，再通过安装基座传导到整机结构中，最后散发到空气中；另一部分热量传导到盖板上，利用盖板材料将热量传导到外表面，再通过热管散热机构进行集热、散热；还有一部分热量由腔体直接散发到圆柱形内部空间，由内部强制风冷将热量带离空间合成放大器。

可选地，功率放大单元腔体内部密封工作流体。

可选地，当放大芯片发热时，工作流体吸收热量气化并扩张至整个腔体，在温度较低的区域放出热量冷凝成液态，液态工质通过毛细结构返回到放大芯片周围，如此循环实现热量的传递。

可选地，所述功率放大单元腔体壁采用铝合金材料。

可选地，所述腔体壁外表面镀银。

可选地，放大芯片产生热量的一部分，沿功率放大单元腔体侧壁传导到功率放大单元盖板中，被热管的管壁吸收，管壁内的液体受热蒸发，蒸汽在压力差下流向另一端，通过散热片的作用释放出热量，重新冷凝成液体，液体在毛细力的作用下流回蒸发端，如此循环。

可选地，所述功率放大单元盖板采用紫铜材料，压板采用铝合金材料，热管采用紫铜材料，散热片采用铝合金材料。

可选地，利用功率放大单元围成的圆柱形通道，在空间合成放大器两端开孔，与外界空间形成一个空气回路，中间安装一个风扇进行强制风冷，将功率放大单元腔体底部表面的热量带走。

本发明的有益效果是：

(1)该空间合成放大器内部具有优良的导热性能，避免了功率芯片因高温工作引起的寿命和可靠性的降低；

(2)同时，该空间合成放大器自身具有优良的散热能力，在不需要外部附加设备的情况下，能将热量快速散发到空气中；

(3)并且，散热系统占用空间小，重量轻，操作简单，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明空间合成放大器的原理图；

图2a为本发明空间合成放大器的整体结构图；

图2b为本发明空间合成放大器的分解结构图；

图3为本发明功率放大单元的结构图；

图4为传统的强制风冷的结构示意图；

图5为传统的循环水冷的原理示意图；

图6a为采用均热板技术的功率放大单元腔体结构示意图；

图6b为均热板工作原理图；

图7为盖板和热管的安装示意图；

图8a为空间合成放大器内部风道立体局部剖视图；

图8b为空间合成放大器内部风道横切面结构图；

图9为空间合成放大器的散热系统整体结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相对于平面合成技术，空间合成放大器具有功率放大单元多、合成效率高等优点，特别适用于大功率合成。但大功率空间合成器放大的散热是个难题，由于各功率放大单元呈空间分布，产生的热量很难能直接传导到热沉(如机箱)，而通过风扇进行强制风冷，只能对一些正对风扇的单元有作用，其他单元的散热得不到根本解决。

目前，随着微波集成电路的发展，芯片的输出功率越来越大，每个单元产生的热量也越来越多，传统的散热方式无法有效地进行散热，系统工作时温度将会很高，导致芯片的寿命大大降低，可靠性也无法保证，因此解决散热问题将会是提高输出功率的关键。

本发明设计了一种高效的散热系统，能有效地解决这个问题。

本发明的散热系统各功率放大单元在空间呈圆柱形分布，其腔体采用高导热率均热板技术的结构，将芯片产生的热量迅速扩散，然后由三个通道传导出去：一部分热量传导到两端的功分、合成区域，再通过安装基座传导到整机等结构中，最后散发到空气中；另一部分热量传导到盖板上，利用盖板材料的高导热性将热量快速传导到外表面，再热管散热机构进行快速集热、散热；还有一部分热量由腔体直接散发到圆柱形内部空间，由内部强制风冷将热量带离空间合成放大器。

本发明避免了因传导不良导致的芯片热量堆积、温度过高的现象，大大提高了芯片的寿命，可靠性也得到保证，同时，结构的整体散热性能得到很大的提高，传导出来的热量能快速散发出去，使整体温度保持在一个较低的水平。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的散热系统进行详细说明。

图1是本发明空间合成放大器的工作原理图，输入功率分为若干个小功率，对每个小功率进行放大后，再合成一个大的输出功率。

图2a和图2b是空间合成放大器的整体结构图和分解图，空间合成放大器包括：功分端盖201，功分腔体202，放大腔体203，放大盖板204，合成腔体205，合成端盖206，耦合探针207。功率由同轴传输线输入，经过空间耦合后，分为24路小功率信号；放大芯片对每路小功率信号进行放大后，产生一个中等功率的信号；最后再通过空间耦合，将24路中等功率的信号合成一个大功率的输出信号。

图3是功率放大单元的结构图，功率放大单元包括：放大芯片302，传输微带片303。功分后的小功率信号由传输微带片303传导到放大芯片302，放大后产生中等功率的信号。

图4是传统的强制风冷的示意图，其结构包括：空间合成放大器401，风扇402，放大盖板204上的散热片403，合成端盖206上的散热片404。这种方法可以使每个放大单元都能被风吹到，但各风扇之间的风道相互影响，效率不高。同时，功率放大单元的腔体采用铜合金或铝合金，导热率只有160-200W/(m.K)，放大芯片产生的热量扩散速度并不高，导致芯片周围温度局部过高，降低了放大芯片的工作寿命和可靠性。

图5是传统的循环水冷的示意图。各功率放大单元通过管道连接在一起，管道内部是流动的冷水，功率放大单元的热量传导到管道内壁，通过循环的冷水带出去，利用外部散热系统散发出去。循环水冷的工作方式，优点是冷却速度快，散热效率高，能满足大功率空间合成放大器的散热要求，缺点是需要液泵、储液罐、阀门、外部散热系统等设备，整个散热系统成本高、体积大，不适用于小型化的设备中。

图6a和图6b是本发明采用均热板技术的功率放大单元腔体的热量传导示意图。腔体内部密封的是工作流体。当放大芯片602发热时，工作流体吸收热量气化并迅速扩张至整个腔体，在温度较低的区域放出热量冷凝成液态，液态工质通过毛细结构603返回到芯片周围，如此循环实现热量的快速传递。腔体壁601采用铝合金材料，该材料的导热率为160W/(m.K)，而使用均热板技术设计的腔体，其导热率在2000W/(m.K)以上，导热性能得到极大提高。同时，腔体壁601外表面镀银以满足微波信号的传输要求。

图7是盖板和热管的热量传导示意图，包括：压板701，热管702，散热片703，功率放大单元腔体704，放大芯片705，功率放大单元盖板706。放大芯片705产生热量的一部分，沿功率放大单元腔体704侧壁传导到功率放大单元盖板中，被热管702的管壁吸收，管壁内的液体受热迅速蒸发，蒸汽在压力差下流向另一端，通过散热片703的作用迅速释放出热量，重新冷凝成液体，液体在毛细力的作用下流回蒸发端，如此循环。功率放大单元盖板采用紫铜材料，压板701采用铝合金材料，热管702采用紫铜材料，散热片703采用铝合金材料。

图8是空间合成放大器内部风道示意图，包括：空间合成放大器801，风扇802。利用功率放大单元围成的圆柱形通道，在空间合成放大器两端开孔，与外界空间形成一个空气回路，中间安装一个风扇802进行强制风冷，将功率放大单元腔体704底部表面的热量快速带走。

图9是空间合成放大器散热系统的外形图。

本发明的空间合成放大器内部具有优良的导热性能，避免了功率芯片因高温工作引起的寿命和可靠性的降低；同时，该空间合成放大器自身具有优良的散热能力，在不需要外部附加设备的情况下，能将热量快速散发到空气中；并且散热系统占用空间小，重量轻，操作简单，成本较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，各功率放大单元在空间呈圆柱形分布，腔体采用均热板结构，将放大芯片产生的热量扩散，然后由三个通道传导出去：一部分热量传导到两端的功分、合成区域，再通过安装基座传导到整机结构中，最后散发到空气中；另一部分热量传导到盖板上，利用盖板材料将热量传导到外表面，再通过热管散热机构进行集热、散热；还有一部分热量由腔体直接散发到圆柱形内部空间，由内部强制风冷将热量带离空间合成放大器。

2.如权利要求1所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，功率放大单元腔体内部密封工作流体。当放大芯片发热时，工作流体吸收热量气化并扩张至整个腔体，在温度较低的区域放出热量冷凝成液态，液态工质通过毛细结构返回到放大芯片周围，如此循环实现热量的传递。

3.如权利要求3所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，所述功率放大单元腔体壁采用铝合金材料。

4.如权利要求4所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，所述腔体壁外表面镀银。

5.如权利要求1所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，放大芯片产生热量的一部分，沿功率放大单元腔体侧壁传导到功率放大单元盖板中，被热管的管壁吸收，管壁内的液体受热蒸发，蒸汽在压力差下流向另一端，通过散热片的作用释放出热量，重新冷凝成液体，液体在毛细力的作用下流回蒸发端，如此循环。

6.如权利要求6所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，所述功率放大单元盖板采用紫铜材料，压板采用铝合金材料，热管采用紫铜材料，散热片采用铝合金材料。

7.如权利要求1所述的适用于大功率空间合成放大器的高效散热系统，其特征在于，利用功率放大单元围成的圆柱形通道，在空间合成放大器两端开孔，与外界空间形成一个空气回路，中间安装一个风扇进行强制风冷，将功率放大单元腔体底部表面的热量带走。