CN105828583B - 一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，包括壳体和散热板，散热板上方为工作室，下方为散热室，工作室内有挡板，挡板接触GaN功放模块，GaN功放模块上方设置进风管和散热风扇，挡板贯穿散热板至散热室底部，挡板上设置有溢流板，散热室内部有喷淋板，喷淋板上有喷水头，喷水头内部的水管连接有设置在喷淋板内部的主水管，主水管贯穿散热室侧面连接进水管，进水管连接有微型水泵，微型水泵通过水管连接有冷却器，进水管下方设置有出水管，出水管连通散热室和冷却器。本发明通过主要使用水冷系统、辅助使用风冷系统对固态功率放大器内GaN功放模块进行高效降温，使GaN功放模块的工作效率得到提高，提升固态功率放大器的改进空间。

Description

一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置

技术领域

本发明涉及一种固态功率放大器，具体涉及一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置。

背景技术

随着技术的进步，目前在测控、卫星通信、雷达、电子对抗系统、高压电力巡线等军、民装备领域的工作频率已经达到毫米波频段。位于发射信道末端的高功率固态功率放大器对系统性能至关重要，对系统的测控精度、通信质量、作用半径以及抗干扰能力等方面起着重要的作用。固态功率放大器的主要作用是将需要发送的信号放大到一定的功率电平，再经天线以无线方式发送到空间，主要技术指标包括输出功率、工作带宽以及驻波比等。相比行波管放大器，固态功率放大器在工作电压、可靠性及环境适应能力等方面有明显的优势，所以其在系统中的应用受到了人们的青睐。

GaN（氮化镓）作为第三代半导体材料，具有高功率容量和高热容性等特点， GaN的微波功率性能要远优于Si、GaAs等传统的半导体材料，GaN材料本身具有宽禁带宽度、高饱和电子迁移率以及高击穿场的特性。综上所述，GaN微波功率器件成为近年来研究的热点。

在进一步采用芯片级功率合成、电路级功率合成或者空间功率合成技术制作的大功率固态功率放大模块的过程中，不仅体积和重量受到了限制，而且其热稳定性也受到严格的考验，在实际应用中，对固态功放模块的工作效率要求非常严格，其工作温度的高低将影响固态功放模块的工作效率。

传统的固态功率放大器仅采用风冷的方式对其所搭载的功放模块散热，但是风冷式散热存在空气介质的导热性低、散热面积小等缺点，其散热效果不好，无法高效地降低功放模块的工作温度，所以限制了固态功率放大器的进一步发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统固态功率放大器的缺陷，目的在于提供一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，解决传统的固态功率放大器仅使用风冷的方式对其所搭载的功放模块进行散热导致无法高效地冷却功放模块所产生的功放模块工作效率低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，包括壳体，壳体内水平设置有散热板，散热板将壳体内部分为两部分，散热板上方为工作室，散热板下方为散热室，工作室内设置有位于散热板上方的GaN功放模块，GaN功放模块上设置有温度传感器，GaN功放模块上方设置有进风管，进风管正对GaN功放模块，进风管贯穿工作室顶部连接有散热风扇，工作室顶部设置有若干排风口，工作室内等间距设置有若干垂直于散热板的挡板，挡板接触GaN功放模块，挡板平行于工作室长度较短的侧面，挡板只有一个侧面与工作室的侧面连接，挡板之间的位置关系被配置为，相间挡板的侧面连接工作室的同一侧面，相邻挡板的侧面分别连接工作室内相互平行的两个侧面，挡板贯穿散热板连接散热室底部，靠近散热室底部的挡板上设置有垂直于散热室底部的转动轴，转动轴上绕有硬弹簧，转动轴连接有溢流板，散热室内部的侧面上设置有喷淋板，喷淋板连接与其所在侧面相邻的两个侧面，喷淋板上等间距设置有若干喷水头，喷水头位于相邻的挡板之间，喷水头的喷嘴竖直向上，喷水头内部的水管连接有设置在喷淋板内部的主水管，主水管贯穿散热室侧面连接有进水管，进水管连接有微型水泵，微型水泵通过水管连接有冷却器，进水管下方设置有出水管，出水管连通散热室和冷却器。现有技术中，传统的固态功率放大器仅使用风冷的方式对功放模块进行降温，避免其工作温度过高影响工作效率。但是，采用传统的散热风扇进行散热时，会遇到空气介质的导热性低、散热面积小等问题，所以风冷的散热效果不佳，不能高效地降低功放模块的工作温度，限制了大功率固态功率放大器在卫星通信领域进一步的发展与应用。为了解决上述问题，本发明提供了一种采用水冷降温的固态功率放大器。在固态功率放大器的壳体内设置有散热板，散热板上设置有挡板，散热板和挡板均采用导热率高的金属，例如银、铝等。挡板均与工作室长度较短的一边平行，挡板只有一个侧面与工作室侧面连接，挡板之间的位置关系为，相邻的挡板分别连接工作室内相互平行的两个侧面，相间的挡板连接同一侧面，挡板贯穿散热板与散热室底部连接，因此，挡板将工作室和散热室的内部空间均隔成了S形。挡板上连接有GaN功放模块以及其他电子元件如电容、电阻等， 这里应用的GaN功放模块为现有技术，GaN功放模块上方设置有进风管，进风管正对GaN功放模块，进风管贯穿工作室顶部连接散热风扇上，GaN功放模块上设置有温度传感器，当温度超过设定的警示温度时，散热风扇能够自动开启；散热室内部的侧面上设置有喷淋板，喷淋板还连接与其所在侧面相邻的两个侧面，即喷淋板上方的水可以通过喷淋板与散热室内壁没有接触的部分流入喷淋板下方。喷淋板上设置有若干个喷水头，喷水头上的喷嘴竖直向上正对着散热板的底部，喷淋板内部设置有主水管，主水管穿过散热室侧面连接进水管，进水管依次连接微型水泵和冷却器，冷却器连接出水管。微型水泵和冷却器均为现有技术，都具有体积小、噪音低的优点，可以在市场上通过购买获得，另外，还可以使用一体式集水泵，一体式集水泵包含了水泵、储水箱和冷却器，高度集成化节省了空间。工作时，运行微型水泵，水从微型水泵中流出并依次通过进水管、主水管、喷水头、散热室、出水管、冷却器，最终回到微型水泵中，形成水循环。GaN功放模块与散热板和挡板接触，通过散热板和挡板将GaN功放模块上的高温传至散热板下方以及挡板上，水在流经散热室时，通过喷水头喷至散热板底部，对散热板进行降温，之后水落至喷淋板上流经挡板隔成的S形流道，之后水流进入喷淋板下方，继续在喷淋板下方走S形流道，通过设置S形流道，不仅使水能充分吸收GaN功放模块通过散热板和挡板传递的热量，还能使水通过与挡板之间足够的接触面积，冷却挡板，从而对工作室内的GaN功放模块进行进一步冷却。另外，S形流道可能会使水产生滞留，在水流过快的时候，前方的水可能会返流与后方的水发生碰撞，降低水循环效率，为了解决上述问题，在位于喷淋板下方的挡板上设置有转动轴、硬弹簧和溢流板，溢流板一侧绕转动轴旋转，硬弹簧用作使溢流板复位，该机构为现有技术，所解决的问题是，当水流速度过快在拐角处堆积时，水流可以推开溢流板直接流至挡板另一侧，等水流速度慢下来并稳定后，溢流板在硬弹簧的作用下会恢复到与挡板平行的位置，从而起到阻挡水流并使之沿着S形流道流动的作用。最终水流从出水管流至冷却器中进行冷却，冷却之后再经过微型水泵从进水管进入散热室；当功放模块上的温度传感器监测到功放模块的工作温度超过设定温度时，将自动开启散热风扇进行紧急降温，留给操作人员足够的时间加快水循环速度，从而降低功放模块的工作温度。通过上述结构和原理，能够对工作室内的电子元件进行高效地降温。水冷系统散热能力强过风冷系统的原因，一是因为水的吸热和导热性能比空气好很多，二是因为水冷系统的总散热面积也要比风冷系统大很多，本装置不仅使用散热板对电子元件进行冷却，还使用了挡板，增加了传热面积，提高了降温效率，通过高效地降温，使得大功率功放模块的工作效率得到提高，提升了固态功率放大器的改进空间和应用范围。水冷系统还具有噪音小的优点，使得固态功率放大器可以灵活地应用于卫星通信系统领域中。另外，通过风冷系统间歇性的辅助水冷系统，不仅确保了功放模块的工作温度低于警戒温度，还能除去工作室内残留的灰尘。

进风管位于工作室顶部靠近进水管所在的一端，排风口靠近另一端。这样设置不仅能够让从散热风扇对整个工作室的电子元件进行风冷降温，还能将工作室内的灰尘从排风口排出，达到降温和除尘的双重目的。

进一步地，喷淋板与散热板的夹角为2至5°，喷淋板靠近进水管的一端与散热室底部的距离大于另一端与散热室底部的距离。通过倾斜设置喷淋板，一方面使得水流缓慢沿着喷淋板上的流道从喷淋板上靠近进水管的一端流至喷淋板的另一端，并进入喷淋板下方的流道；另一方面，靠近进水管一端的喷水头更接近散热板，其冷却效果更好，可以将功放模块中最核心的电子元件如单片微波集成电路芯片放置在散热板上方相对应的位置达到更好地对核心电子元件降温的目的。

进一步地，散热板、挡板与GaN功放模块之间均设置有散热硅胶。散热硅胶具有低热阻、高导热率的特点，因为GaN功放模块是主要部件，在其与散热板、挡板之间涂有散热硅胶能减少摩擦，使GaN功放模块与散热板、挡板充分接触从而提高热传导率，使得GaN功放模块的热量更有效地传递至散热板和挡板。

进一步地，主水管由聚合物材料制成。为了防止主水管生锈而导致水循环效果差，主水管采用聚合物材料如聚四氟乙烯制成，不仅保证了主水管的强度、不会生锈，并且重量轻，降低了固态功率放大器的总重量。

进一步地，喷嘴上设置有喷嘴盖，喷嘴盖上设置有若干通孔。通过上述设置，可以使得水流均匀的喷淋在散热板底部，而不会只喷淋在散热板底部的局部位置，导致散热效果差。

进一步地，进水管上设置有球阀。通过在进水管上设置球阀，可以调整进水量，控制水循环速度，使得操作人员能够控制散热室内的温度。

进一步地，位于工作室内的挡板上设置有若干通孔。在工作室内的挡板上设置通孔有利于各电子元件之间的连接，方便设计人员更合理地设计和规划工作室内电子元件的布局。另外，散热风扇对工作室内进行通风除尘时，挡板上的通孔利于风的通过，提高除尘效果。

进一步地，转动轴靠近散热室侧面。因为挡板与散热室内壁接触的位置最容易形成水流堆积，所以在此处设置转动轴、硬弹簧和溢流板能更好地去除水流在流道内的堆积。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过主要使用水冷系统、辅助使用风冷系统对固态功率放大器内的GaN功放模块进行降温，因为水的吸热和导热性能比空气好很多、以及水冷系统的总散热面积也要比风冷系统大很多，所以降温效果好，可以使得大功率GaN功放模块的工作效率得到提高，增加了固态功率放大器的改进空间和应用范围；

2、本发明采用水冷系统进行降温，具有噪音小的特点，使得固态功率放大器可以更适应于卫星通信领域；

3、本发明在功放模块上设置有温度传感器，当温度传感器监测到GaN功放模块的工作温度超过设定温度时，将自动开启散热风扇进行紧急降温，留给操作人员足够的时间加快水循环速度，从而降低GaN功放模块的工作温度；

4、本发明辅助使用风冷系统，能除去工作室内电子器件上残留的灰尘；

5、本发明使用了挡板，增加了散热面积，提高了散热效率，使GaN固态功放模块的工作效率进一步提高；

6、本发明在挡板上设置了转动轴、硬弹簧和溢流板，消除了水循环速度过快时，喷淋板下方的流道中挡板与散热室内壁形成的拐角处所产生的水流堆积，提高了水循环效率；

7、本发明使用主水管采用聚四氟乙烯制成，不仅保证了主水管的强度而且不会生锈，并且其重量较金属轻，降低了固态功率放大器的总重量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明剖面结构示意图；

图2为图1中A-A面的剖面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-壳体，2-散热板，3-喷淋板，4-喷水头，5-进水管，6-进风管，7-GaN功放模块，8-挡板，9-转动轴，10-溢流板，11-排风口，12-散热风扇。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明为一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，包括壳体1，壳体1内水平设置有散热板2，散热板2将壳体1内部分为两部分，散热板2上方为工作室，散热板2下方为散热室，工作室内设置有位于散热板2上方的GaN功放模块7，GaN功放模块7上设置有温度传感器，GaN功放模块7上方设置有进风管6，所述进风管6正对GaN功放模块7，进风管6贯穿工作室顶部连接有散热风扇12，工作室顶部设置有若干排风口11，工作室内等间距设置有若干垂直于散热板2的挡板8，挡板8接触GaN功放模块7，挡板8平行于工作室长度较短的侧面，挡板8只有一个侧面与工作室的侧面连接，挡板8之间的位置关系被配置为，相间挡板8的侧面连接工作室的同一侧面，相邻挡板8的侧面分别连接工作室内相互平行的两个侧面，挡板8贯穿散热板2连接散热室底部，靠近散热室底部的挡板8上设置有垂直于散热室底部的转动轴9，转动轴9上绕有硬弹簧，转动轴9连接有溢流板10，散热室内部的侧面上设置有喷淋板3，喷淋板3连接与其所在侧面相邻的两个侧面，喷淋板3上等间距设置有若干喷水头4，喷水头4位于相邻的挡板8之间，喷水头4的喷嘴竖直向上，喷水头4内部的水管连接有设置在喷淋板3内部的主水管，主水管贯穿散热室侧面连接有进水管5，进水管5连接有微型水泵，微型水泵通过水管连接有冷却器，进水管5下方设置有出水管，出水管连通散热室和冷却器。进风管6位于工作室顶部靠近进水管5所在的一端，排风口11靠近另一端。喷淋板3与散热板2的夹角为2至5°，喷淋板3靠近进水管5的一端与散热室底部的距离大于另一端与散热室底部的距离。散热板2、挡板8与GaN功放模块7之间均设置有散热硅胶。主水管由聚合物材料制成。喷嘴上设置有喷嘴盖，喷嘴盖上设置有若干通孔。进水管5上设置有球阀。位于工作室内的挡板8上设置有若干通孔。转动轴9靠近散热室侧面。使用本装置时，首先开启微型水泵，水流从进水管5进入到主水管中，通过喷水头4喷淋至散热板2下方，GaN功放模块7以及其他电子元件上通过散热板2和挡板8将热量传递至水流中，水流沿着喷淋板3上方的流道和喷淋板3下方的流道流动，并在流动过程中对挡板8进行冷却并吸收挡板8中传递的热量，当水循环速度过快时，挡板8上设置的溢流板10可以消除挡板8与散热室内壁所形成的拐角处堆积的水流，提高水循环效率，最终水流通过出水管6进入到冷却器中，冷却器对水流降温后，水流进入到微型水泵中，并被再次输送至进水管5中，完成水循环；当GaN功放模块7上的温度传感器监测到GaN功放模块7的工作温度超过设定温度时，将自动开启散热风扇12进行紧急降温，留给操作人员足够的时间加快水循环速度，从而降低GaN功放模块7的工作温度。因为水的吸热和导热性能比空气好很多、以及水冷系统的总散热面积也要比风冷系统大很多，所以水冷方式的降温效果好，可以使得GaN功放模块的工作效率得到提高，提升了固态功率放大器的改进空间。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，包括壳体(1)，其特征在于，所述壳体(1)内水平设置有散热板(2)，所述散热板(2)将壳体(1)内部分为两部分，散热板(2)上方为工作室，散热板(2)下方为散热室，所述工作室内设置有位于散热板(2)上方的GaN功放模块(7)，所述GaN功放模块(7)上设置有温度传感器，GaN功放模块(7)上方设置有进风管(6)，所述进风管(6)正对GaN功放模块(7)，进风管(6)贯穿工作室顶部连接有散热风扇(12)，工作室顶部设置有若干排风口(11)，工作室内等间距设置有若干垂直于散热板(2)的挡板(8)，所述挡板(8)接触GaN功放模块(7)，挡板(8)平行于工作室长度较短的侧面，挡板(8)只有一个侧面与工作室的侧面连接，挡板(8)之间的位置关系被配置为，相间挡板(8)的侧面连接工作室的同一侧面，相邻挡板(8)的侧面分别连接工作室内相互平行的两个侧面，挡板(8)贯穿散热板(2)连接散热室底部，靠近散热室底部的挡板(8)上设置有垂直于散热室底部的转动轴(9)，所述转动轴(9)上绕有硬弹簧，转动轴(9)连接有溢流板(10)，散热室内部的侧面上设置有喷淋板(3)，所述喷淋板(3)连接散热室的两个相互平行的侧面，散热室的两个相互平行的侧面均与喷淋板(3)所在的侧面连接，所述喷淋板(3)上等间距设置有若干喷水头(4)，所述喷水头(4)位于相邻的挡板(8)之间，喷水头(4)的喷嘴竖直向上，喷水头(4)内部的水管连接有设置在喷淋板(3)内部的主水管，所述主水管贯穿散热室侧面连接有进水管(5)，所述进水管(5)连接有微型水泵，所述微型水泵通过水管连接有冷却器，进水管(5)下方设置有出水管，所述出水管连通散热室和冷却器；所述喷淋板(3)与散热板(2)的夹角为2至5°，喷淋板(3)靠近进水管(5)的一端与散热室底部的距离大于另一端与散热室底部的距离；所述散热板(2)、挡板(8)与GaN功放模块(7)之间均设置有散热硅胶；所述进水管(5)上设置有球阀。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，其特征在于，所述进风管(6)位于工作室顶部靠近进水管(5)所在的一端，排风口(11)靠近另一端。

3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，其特征在于，所述主水管由聚四氟乙烯制成。

4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，其特征在于，所述喷嘴上设置有喷嘴盖，喷嘴盖上设置有若干通孔。

5.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中的功放模块搭载装置，其特征在于，位于工作室内的挡板(8)上设置有若干通孔。