CN112739153B - 一种空间合成功率放大器及其散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间合成功率放大器及其散热装置，属于散热设备技术领域。散热设备包括均温板；均温板包括相互连接的第一面板和第二面板；第一面板为吸热部；第二面板为散热部；第一面板和第二面板均为空心结构，第一面板的空心结构与第二面板的空心结构连通，共同形成一个完整空腔；空腔内设有液态工质；位于第一面板与第二面板之间的空腔侧壁上附有毛细结构，且该毛细结构沿第一面板与第二面板的布置方向贯通整个空腔。本发明采用的散热系统可以有效增加内部单元合成结构的轴向导热性能，减小发热区域热量集中，降低高温导致的性能下降及过热烧毁风险。

Description

一种空间合成功率放大器及其散热装置

技术领域

本发明涉及散热设备技术领域，具体地说，涉及一种空间合成功率放大器及其散热装置。

背景技术

随着高功率微波器件在雷达技术和无线通信技术中的应用变得越来越广泛，对微波固态高功率放大器的输出功率和功率附加效率的要求也变得越来越高。

空间合成技术是一种将传统的基于平面电路的设计技术升级为利用三维电磁场进行设计的立体化解决方案。相较于平面合成技术，更具有体积小、合成效率高、输出功率大等优势。但是另一方面也由于这种空间结构相对紧凑，芯片单元共同构成空间分布结构后，各芯片单元与整体结构热沉并不直接相连，使得散热问题成了高功率空间合成功放设计的一个难点。

目前空间合成结构散热系统通常采用铝质或者铜质结构卡钳，将其固定在大面积散热基板上，再通过强制风冷或者水冷形式将热量带走。但铝的导热系数只有200W/m·K左右，即使采用导热系数更高的铜，其导热系数也只有400W/m·K，并不能很好地满足高热流密度芯片散热的需求。而且采用纯金属材质的卡钳结构容易导致系统重量过大，限制了其应用范围。另一方面，无论散热基板是采用强制风冷还是采用水冷形式，由于空间合成结构本身很紧凑，其卡钳安装面与散热基板之间存在较大的面积差，导致两者间存在很大的扩散热阻，这也使得功放芯片到散热环境间的总热阻非常大，限制了空间合成功率放大器的最大性能发挥。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中的设备散热性能有限，且结构偏重的问题，本发明设计了一套空间功放均温板散热结构，以降低空间合成结构与散热环境间的传导热阻，减少系统重量，同时不需要过于复杂的辅助散热结构设备，有利于扩大其应用范围。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种具有散热装置的空间合成功率放大器，所述空间合成功率放大器包括具有内腔的主体结构；所述主体结构相对两端分别设输入口、输出口；所述内腔中设有位于功放段的芯片安装结构；

所述主体结构包括功分段、合成段、位于功分段与合成段之间的功放段，主体结构外围形状适配地包裹有均温板；

所述均温板的一部分与主体结构贴合，均温板内部为完整空腔；

所述空腔内设有液态工质，空腔侧壁上附有毛细结构，且该毛细结构沿均温板贯通整个空腔。

在一种可能的实施例中，所述均温板贴合在主体结构上的部分为第一面板，另一部分为第二面板；均温板一体成型，其间空腔为密闭结构；

所述第一面板为弧形板，第一面板的内凹方向朝向第二面板；

所述第二面板为直板；

所述第一面板与第二面板的连接处为弧形过渡。

在一种可能的实施例中，所述均温板共有两块；两块均温板上的第一面板相互靠近且两两相对，在两块第一面板之间共同围成容纳空间，用于放置空间合成功率放大器。

在一种可能的实施例中，所述第二面板分别位于对应第一面板的下端；相对拼合的两块第一面板之间还设有安装基座；所述安装基座的上表面与第一面板共同拼合成封闭几何体，安装基座的下部位于两块第二面板之间。

在一种可能的实施例中，所述第二面板安装在散热基板上；所述散热基板上设有容纳第二面板的凹槽；所述安装基座与散热基板相贴合。

在一种可能的实施例中，所述毛细结构为开设在空腔侧壁上的槽结构。

在一种可能的实施例中，所述毛细结构为附设在空腔侧壁上的丝网结构。

在一种可能的实施例中，所述液态工质为水或丙酮。

在一种可能的实施例中，所述空间合成功率放大器的主体结构为圆筒形；所述芯片安装结构为与主体结构共轴的圆环，且该圆环一体成型成型于主体结构上。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的散热系统可以有效增加内部单元合成结构的轴向导热性能，减小发热区域热量集中，降低高温导致的性能下降及过热烧毁风险；

(2)折弯形式均温板可以快速将热量传递至散热基板面，相比一般单纯采用纯质金属进行散热的方案，更具高效传热性能，同时也能减小其间传导扩散热阻，整体具备优良的导热散热能力；

(3)由于均温板相比同体积纯质一般散热金属要轻，因此同等条件下系统具有重量轻的优势，同时操作简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的散热装置与空间合成功率放大器配合使用关系分解示意图；

图2为本发明的散热装置与空间合成功率放大器配合使用示意图；

图3为图2沿A面剖切断面图；

图4为图3中B部放大图；

图5为本发明的空间合成功率放大器内部结构示意图；

图6为本发明的空间合成功率放大器整体示意图；

图7为不同形式散热结构热源温升随热耗上升变化图。

图中：

1、均温板；11、第一面板；12、第二面板；13、空腔；14、毛细结构；

2、安装基座；

3、散热基板；31、凹槽；

4、主体结构；41、内腔；42、输入口；43、输出口；

5、芯片安装结构。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于了解，下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

目前，微波功率器件小型集成化是主流发展趋势，段微波器件在高功率状态下的可靠性面临着严峻的挑战。其主要原因之一在于上述功率芯片在工作时存在的自热效应，且随功率的增大而增加，热积累效应会导致输出功率密度以及效率等指标迅速恶化。可以说，散热问题已经成为限制微波功率器件技术进一步发展和应用的主要技术瓶颈之一。

实施例1

如图5至图6所示，一种空间合成功率放大器，具有如下特征：

空间合成功率放大器包括具有内腔41的主体结构4。该主体结构4由各功放单元在空间中以圆周分布的形式构成，见图5。该主体结构4两端分别为锥形结构的小口径输入口42和输出口43。所述主体结构4从功能上可分为功分段、合成段、位于功分段与合成段之间的功放段，其中，功放段位置设有位于内腔41中的芯片安装结构5，用于耦合放大功率信号，该芯片安装结构5为圆环形，其内径处形成的小口径通道与主体结构4共轴。功放芯片贴附于芯片安装结构5侧面上，且沿主体结构径向呈辐条状均匀分布。

工作时，输入功率经端盖处输入口42进入功分段后，经过空间耦合后分配至各个功放单元，在功放段由功率芯片进行放大后再经过合成段的空间耦合合成为一个大功率的输出信号，从另一端的输出口43输出。在这一过程中，功放芯片产生的高密度热流量会通过单元结构沿圆柱体径向往功分段和合成段两端传输扩散。

对于大功率功放而言，高热流密度芯片区域的散热本身就是个难题。而由于空间合成功率放大器中各个功放单元呈圆周分布，并不能直接与平面形式散热热沉相连，且其结构紧凑，传热途径横截面相对于平面形式要小很多，导致其间结构传导热阻非常大，这使得散热问题在空间合成功放结构中更为明显。

为了解决上述问题，本技术方案还提出了一种散热装置如下：

如图1至图4所示的一种空间合成功率放大器的散热装置，包括均温板1。均温板1主要由一体成型且相互连接的第一面板11和第二面板12构成。其中，第一面板11为吸热部，用于贴合在空间合成功率放大器外侧面吸收热量。第二面板12为散热部，用于将第一面板11吸收的热量传导出来，并快速散失。

均温板1内部设有空腔13，空腔13侧壁上附有毛细结构14，且空腔13内设有液态工质。为了实现液态工质在第一面板11和第二面板12内自由循环，需要空腔13贯通第一面板11 和第二面板12。液态工质在毛细力作用下，沿毛细结构14从位于低位的第二面板12内部的空腔渗透至位于高位的第一面板11内部的空腔中，位于该位置毛细结构中的液态工质受热后挥发为蒸汽，在负压作用下流向低温度区域，并在平铺的第二面板12内释放热量冷凝，形成散热循环。

液态工质可采用水、丙酮或者其他工质，需要保证的是液态工质不与空腔13的壳体发生反应，导致内部填充有无法冷凝循环的气体，如铝和水产生的氢气，致使热管失效。所以本实施例中，考虑到冷凝效率，采用丙酮作为液态工质，并采用铜合金材质作为壳体，有利于保证空腔13密闭性，避免有毒害的丙酮液体溢出。本实施例中，还需要保证空腔13为负压密闭结构，以降低工质汽化温度。

为了降低加工成本，可以在空腔13内壁上制出密集交错的微型沟槽作为毛细结构14。毛细力大小与液体表面张力及毛细结构半径有关。一般毛细半径越小，毛细力越大。所以对于类似沟槽形式，深度一般不影响毛细力，而与槽道宽度有关。本实施例中，对于直径12cm 的主体结构4，与其相匹配的均温板结构应采用如下参数：

微型沟槽的宽度应小于2mm，否则会导致工质难以爬升，本实施例中采用1mm。

微型沟槽的深度视均温板1壳体厚度限制下尽可能制深，以提高工质毛细作用，比如壳体厚度2.5mm，微型沟槽深度可以设置为0.5-1mm，本实施例采用0.8mm微型沟槽深度。由于壳体非承重件，可以适当加深微型沟槽深度。

采用此种形式时，均温板1可以通过采用不损坏内部毛细结构的折弯工艺，将平面形式均温板1折弯成匹配空间合成功率放大器形状的弧形结构。且内部沟槽形式毛细结构14受折弯影响很小，也可以通过相对复杂的将三维立体结构掏空填充、焊接密封工艺制成。

为了从两侧进行散热，均温板1共有两块，分别位于空间合成功率放大器相对两侧，形成左右两侧分别抱合的卡钳结构。

均温板1沿功率传输方向的宽度在保证安装结构空间的前提下，尽可能接近合成功放圆柱结构的长度。得益于内部两相流高效的传热效率，其等效导热系数可以达到1500W/m·K，甚至可以达到2000W/m·K以上，相较于一般的采用纯质金属结构散热结构，导热性能得到了极大的提升。紧密贴合功放柱状结构的均温板可以有效地增加单元结构中热量往两端扩散的性能，从而减小中央功放段芯片热源区域的热量集中。

为了加快散热，本实施例中，在相对拼合的两块第一面板11之间还设有安装基座2。安装基座2的上表面与两块第一面板11共同拼合成包裹在空间合成功率放大器外围的结构。在安装基座2和第二面板12下方设置散热基板3。为了更好地固定均温板1，在散热基板3上设有容纳第二面板12的凹槽31，凹槽31还能增加散热接触面。液态工质的蒸汽在第二面板 12处冷凝时，第二面板12的热量传递至散热面积更大的散热基板3上，被快速冷却。同样地，安装基座2作为中介导热体，也可以直接将热量传导至散热基板3上。

为了避免过多热量进入均温板1部分，导致内部工质全部汽化产生的干烧、性能下降风险，可将安装基座2与散热基板3一体成型制作，降低安装基座2与散热基板3热阻，安装基座2的快速导热也能够分担均温板1散热压力。

为了提高散热效率，安装基座2与散热基板3均可采用导热效率高的紫铜材料。

在另一种可能的实施例中，为了降低设备重量，也可以采用铝合金制作上述各散热结构。

技术方案测试验证：

参见图7，基于以上参数，针对铝质卡钳、铜质卡钳及本技术方案中采用的均温结构的实际散热性能进行了测试对比，在保证其余结构一致的条件下，施加不同热耗功率，对比不同形式下芯片区域温升值如表1：

表1不同热耗功率对不同形式芯片区域温升值

其中“结构倒置”是考虑到重力可能的影响将技术方案“均温结构”整体翻转180°倒置的测试条件。

由上表对比可知：

(1)铜质结构由于材料导热系数远优于铝，其散热性能较铝质结构有大幅改善。但这是以重量大幅增加为代价的(铜698g＞铝210g)；

(2)技术方案结构在重量与铝质结构相当的前提下(232g)，其散热性能获得比铜质结构更优的效果；

(3)在结构倒置的条件下，考虑到重力作用有利于散热基板处冷凝液体回流至第一面板 11区域，在功率较大的条件下其散热性能会有进一步的提升；

(4)单独对比本实施例中的均温板相对铜质卡钳的性能改善，可以发现相对明显的规律：随着热功率的增加，均温结构改善效果越来越明显。在结构倒置的条件下，受重力增加毛细作用影响，液态补充循环加快，其改善效果更明显。

在另一种可能的实施例中，为了提高工质沿微型沟槽爬升的能力，可将微型沟槽相对于空腔的壳体倾斜设置，利用倾斜的微型沟槽侧壁，降低工质爬升阻力，提高毛细作用，本实施例中，微型沟槽相对于空腔壳体厚度方向倾斜，从而依托较小的爬升角降低爬升阻力，倾角可以设定为30°以平衡工质上移效率。在本实施例中，可以适当将微型沟槽的深度加深，如在空腔壳体厚度不变的情况下，将沟槽深度设置为1-1.5mm。

在另一种可能的实施例中，毛细结构14为附设在空腔13侧壁上的丝网结构。丝网结构相对于交错的微型槽结构具有更好的毛细力，加快液态工质循环散热。为了提高丝网结构的工质吸附性，且需要保证丝网的耐热能力，本实施例中采用石棉碎片作为丝网结构，紧密固定在空腔13内壁上。

在某些实施例中，为了加速散热基板3的散热效率，可以采用自然对流散热器和强制风冷散热器的散热底面作为散热基板3，或者采用水冷板等各种形式散热热沉作为散热基板3。

在本专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的普通技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种具有散热装置的空间合成功率放大器，所述空间合成功率放大器包括具有内腔（41）的主体结构（4）；所述主体结构（4）相对两端分别设输入口（42）、输出口（43）；所述内腔（41）中设有位于功放段的芯片安装结构（5）；所述主体结构（4）包括功分段、合成段、位于功分段与合成段之间的功放段，主体结构（4）外围形状适配地包裹有均温板（1）；功放芯片贴附于芯片安装结构（5）侧面上，且沿主体结构径向呈辐条状均匀分布；

其特征在于：所述均温板（1）的一部分与主体结构（4）贴合，均温板（1）内部为完整空腔（13）；所述空腔（13）内设有液态工质，空腔（13）侧壁上附有毛细结构（14），且该毛细结构（14）沿均温板（1）贯通整个空腔（13）；所述毛细结构（14）为附设在空腔（13）侧壁上的丝网结构；

所述均温板（1）贴合在主体结构（4）上的部分为第一面板（11），另一部分为第二面板（12）；均温板（1）一体成型，其间空腔（13）为密闭结构；所述第一面板（11）为弧形板，第一面板（11）的内凹方向朝向第二面板（12）；所述第二面板（12）为直板；所述第一面板（11）与第二面板（12）的连接处为弧形过渡；

所述均温板（1）共有两块；两块均温板（1）上的第一面板（11）相互靠近且两两相对，在两块第一面板（11）之间共同围成容纳空间，用于放置空间合成功率放大器。

2.根据权利要求1所述的具有散热装置的空间合成功率放大器，其特征在于：

所述第二面板（12）分别位于对应第一面板（11）的下端；

相对拼合的两块第一面板（11）之间还设有安装基座（2）；所述安装基座（2）的上表面与第一面板（11）共同拼合成封闭几何体，安装基座（2）的下部位于两块第二面板（12）之间。

3.根据权利要求2所述的具有散热装置的空间合成功率放大器，其特征在于：

所述第二面板（12）安装在散热基板（3）上；所述散热基板（3）上设有容纳第二面板（12）的凹槽（31）；所述安装基座（2）与散热基板（3）相贴合。

4.根据权利要求1-3中任意一项具有散热装置的空间合成功率放大器，其特征在于：

所述液态工质为水或丙酮。

5.根据权利要求1-3中任意一项具有散热装置的空间合成功率放大器，其特征在于：

所述空间合成功率放大器的主体结构（4）为圆筒形；所述芯片安装结构（5）为与主体结构（4）共轴的圆环，且该圆环一体成型成型于主体结构（4）上。

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