CN116390454A - 一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法及系统，采用半导体制冷片进行热传递，不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有电动旋转部件，不会产生回转效应和电磁干扰，保证通信用户终端的信号稳定，工作时没有振动、噪音；采用均温板作为整机的安装基板，可以消除这些盲区，扩散热阻被更有效的削弱，进而提高整个散热器的散热效率；采用压电风扇及散热翅片进行末端散热，相对于其他的液冷等散热措施，均温板及压电风扇散热翅片的组合散热效果更稳定，可靠，不必担心因液体泄漏而导致散热失效；同时压电风扇不同于传统风扇的电磁线圈，仅靠简单的电路驱动，自身不产生磁场，没有电磁干扰，可以保证卫通相控阵天线单元的稳定正常工作。

Description

一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法及系统

技术领域

本发明属于卫通相控阵用户终端散热技术领域，具体涉及一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法及系统。

背景技术

卫通相控阵用户终端是针对国内外在轨及拟发射高轨高通量宽带通信卫星，运用Ka相控阵天线技术、高通量宽带卫星通信调制解调及网管技术、高动态机载平台卫星跟踪相控阵天线波束成形控制技术，研制的一种超视距、高性价比、高可靠的卫星通信用户终端。

目前，相控阵天线主要分两种：一种是雷达相控阵天线，是指通过相位控制电子对阵列雷达进行扫描，利用大量的个别控制的小型的天线进行单元排列，最终形成天线阵面，并且每一个天线单元都由各自独立的开关进行控制，形成不同的相位波束；另一种是通讯相控阵天线，是运用CCSDS空间数据系统IP-UDPs先进技术设计的复合数据源信道，可以同时双向可靠传输图像、语音、数据，通信速率不低于4Mbps～100Mbps。此两种相控阵天线多采用增大散热表面积，以此来增大热忱面提高整机散热效率，会导致设备体积和重量偏大，不利于机载或航空使用。

卫通相控阵用户终端是符合当下行业发展形势，具有便携化，轻量化的天线，但传统的雷达相控阵天线和通讯相控阵天线因重量沉，体积大，导致不利于机载，而其主要原因是相控阵天线功耗巨大，工作一段时间后整机温度超芯片结温上限，导致天线单元不能正常工作，因此整机进行高效稳定散热是保证卫通相控阵用户终端正常工作的前提。现有散热技术具有电动旋转部件，容易产生回转效应和电磁干扰，影响通信用户终端的信号稳定，工作时存在振动、噪音，无法适用于对电磁干扰敏感的大型计算机、电子信号处理、通讯、军工等行业。

发明内容

为此，本发明提供一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法及系统，解决传统散热技术容易产生电磁干扰，影响信号稳定性，难以应用在高集成度卫通相控阵用户终端上的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，包括热传导控制、热均衡控制和热扩散控制；

所述热传导控制过程中，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的半导体制冷片中；

所述热均衡控制过程中，通过所述半导体制冷片将热量传递至均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散控制过程中，将所述半导体制冷片冷凝端的热量由均温板平衡分布后传递至散热翅片，所述散热翅片通过压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法优选方案，所述半导体制冷片内部设有N型半导体材料和P型半导体材料，当所述N型半导体材料和所述P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，热量从卫通相控阵天线单元芯片的热源面转移到所述半导体制冷片的热端。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法优选方案，通过所述均温板将卫通相控阵天线单元芯片热量均布在整个板面；再通过压电风扇产生的气流及散热翅片将热量排出至周围环境。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法优选方案，对所述封闭腔体进行抽真空处理。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法优选方案，所述压电风扇产生气流的方式为：

在压电陶瓷片表面施加电压使压电陶瓷片产生形变，压电陶瓷片在外电场的作用下产生伸缩运动，压电陶瓷片连接的钢片一侧伸长、一侧收缩，使钢片弯曲变形；

给所述压电陶瓷片施加交变电压，使钢片做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流。

本发明还提供一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，包括热传导组件、热均衡组件和热扩散组件；

所述热传导组件包括半导体制冷片，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的所述半导体制冷片中；

所述热均衡组件包括均温板，通过所述半导体制冷片将热量传递至所述均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散组件包括散热翅片和压电风扇，所述半导体制冷片冷凝端的热量由所述均温板平衡分布后传递至所述散热翅片，所述散热翅片通过所述压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统的优选方案，所述半导体制冷片内部设有N型半导体材料和P型半导体材料，所述N型半导体材料和所述P型半导体材料联结成热电偶对；热量从卫通相控阵天线单元芯片的热源面转移到所述半导体制冷片的热端。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统的优选方案，通过所述均温板将卫通相控阵天线单元芯片热量均布在整个板面；再通过所述散热翅片和所述压电风扇将热量排出至周围环境。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统的优选方案，对所述封闭腔体进行抽真空处理。

作为高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统的优选方案，所述压电风扇的叶片包括压电陶瓷片，和所述压电陶瓷片连接的钢片；

给所述压电陶瓷片施加交变电压，使钢片做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流。

本发明的有益效果如下：采用半导体制冷片进行热传递，不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有电动旋转部件，不会产生回转效应和电磁干扰，保证通信用户终端的信号稳定，工作时没有振动、噪音、寿命长，安装容易；采用均温板作为整机的安装基板，可以消除这些盲区，扩散热阻被更有效的削弱，进而提高整个散热器的散热效率；采用压电风扇及散热翅片进行末端散热，相对于其他的液冷等散热措施，均温板及压电风扇散热翅片的组合散热效果更稳定，可靠，不必担心因液体泄漏而导致散热失效；同时压电风扇不同于传统风扇的电磁线圈，仅靠简单的电路驱动，自身不产生磁场，没有电磁干扰，可以保证卫通相控阵天线单元的稳定正常工作；适用于对电磁干扰敏感的大型计算机、电子信号处理、通讯、军工等行业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其他的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法示意图；

图2为本发明实施例1提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法中半导体制冷片原理示意图；

图3为本发明实施例1提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法中均温板原理示意图；

图4为本发明实施例1提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法中压电风扇散热效果图；

图5为本发明实施例2提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统示意图；

图6为本发明实施例2提供的高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统原理示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。

实施例1

参见图1、图2、图3和图4，本发明实施例1提供一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，包括热传导控制、热均衡控制和热扩散控制；

所述热传导控制过程中，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的半导体制冷片中；

所述热均衡控制过程中，通过所述半导体制冷片将热量传递至均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散控制过程中，将所述半导体制冷片冷凝端的热量由均温板平衡分布后传递至散热翅片，所述散热翅片通过压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。

本实施例中，卫通相控阵用户终端利用大量微型天线单元，每个天线单元中都具备通信芯片，并通过ACU模块进行相位波束控制，整机设备功耗300W。为了保证天线单元芯片正常工作，天线单元芯片背面的半导体制冷片是一个热传递的工具，将天线单元热量传递至半导体制冷片热端，半导体制冷片热端粘贴至均温板上，均温板可以有效的解决整机均温热平衡问题，内部工质液体将热量传递至均温板背面，由压电风扇及散热翅片组合进行散热，压电风扇相比轴流风扇有更高、更稳定的气流输出，保证热量高效扩散，降低均温板温度，提高热传导效率，提高整机的稳定性和可靠性，同时可以降低整机体积和重量，满足机载的小型化需求。

本实施例中，热传导控制过程中，卫通相控阵天线单元芯片在工作过程中产生的热量从内部结点发出，通过热传导经由封装材料散逸至表面积更大的半导体制冷片中，半导体制冷片在天线单元芯片和均温板之间创建了高效的导热路径，当半导体制冷片的N型半导体材料和P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，半导体制冷片两端之间就会产生热量转移，热量从天线单元热源面转移到半导体制冷片的热端，从而降低天线单元芯片温度，保证芯片性能稳定。

辅助图2，具体的，以环境温度为25℃为例，设半导体制冷片热端温度为T_H，吸收的热量为Q_H，天线单元处温度为T₀，向外释放的热量为Q₀；热电偶电功率为P，电流为I。由热力学第一定律可知，热端放出的热量等于吸收的热量加电产生的热量：

Q_H＝Q₀+P (1)

根据帕尔贴效应，吸收热量的一端成为冷端，放出热量的一端成为热端。吸收的热量称为帕尔贴热。帕尔贴热与外加电源所提供的回路电流成正比：

Q_P＝π_PNI＝α_PNT₀I＝(α_P-α_N)T₀I (2)

在理想情况下：Q_P＝Q₀；但是由于电流在热电偶上的电流传导产生焦耳热和热梯度产生的热传导傅里叶效应的影响，实际的制冷量应该小于帕尔贴热，即：

Q_P＝Q_L+Q₀ (3)

设外界对热电偶不存在影响情况下，将热电偶看成一个长臂，横截面积为A长度为L，导热系数为K，电阻率为ρ时，根据焦耳定律与傅里叶效应在杆长度方向进行积分得到：

结合(2)、(3)、(4)得到：

1)冷端实际制冷量为：

2)热电偶供电消耗的功率P，加在热电偶上的电压U_R，一部分落在电阻上引起压降为I_R，一部分用来克服塞贝克电动势△U，所以有：

U＝U_R+ΔU＝I_R+(α_P-α_N)ΔT (6)

P＝UI＝I²R+α_PNΔTI (7)

3)制冷系数为：

最终算得半导体制冷片热端及冷端可产生的温差为：

根据制冷系数及半导体制冷片两端可产生温差，而传统的导热硅脂，在相同的条件下，参见表1，其热阻所产生的两端最大温差在18.3℃，(以导热系数最高16W为例，参数为厂家试验所得)，相比较半导体制冷片近10℃，因此半导体制冷片更能有效的降低天线单元的工作温度。

表1导热硅脂导热特性结果测试表

参见图3，本实施例中，热均衡控制过程中，当半导体制冷片将热量传递至均温板后，均温板作为一个封闭的腔体，内部烧结有毛细结构，注入循环工质，抽真空。工作时，接触半导体制冷片热端的位置(蒸发端)工质吸热蒸发，变成蒸气快速移动到靠近散热翅片的冷凝端预冷，冷凝成液态，放出热量，然后通过毛细结构回到蒸发端，如此周而复始循环，实现将热量从蒸发端输送到冷凝端的功能。并且均温板可将卫通终端芯片热量均布在整个板面，再通过压电风扇产生的气流及散热翅片将热量排出至周围环境，实现温度的有效控制。

参见图4，本实施例中，热扩散过程中，热量由均温板平衡分布后传递至散热翅片，散热翅片通过压电风扇产生的气流将热量扩散至空气中。

其中，压电风扇工作原理是逆压电效应：在压电陶瓷片表面施加电压，压电陶瓷片产生形变，压电陶瓷片在外电场的作用下产生伸缩运动，相连接的钢片一侧伸长，一侧收缩，使钢片弯曲变形。若给压电陶瓷片添加交变电压，钢片将做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流，且压电平面风扇出风流场分布均匀，且振动频率高，所以风力集中不扩散，定向性好，速度快。

综上所述，本发明热传导控制过程中，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的半导体制冷片中；热均衡控制过程中，通过所述半导体制冷片将热量传递至均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；热扩散控制过程中，将所述半导体制冷片冷凝端的热量由均温板平衡分布后传递至散热翅片，所述散热翅片通过压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。本发明采用半导体制冷片进行热传递，不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有电动旋转部件，不会产生回转效应和电磁干扰，保证通信用户终端的信号稳定，工作时没有振动、噪音、寿命长，安装容易；本发明采用均温板作为安装基板，相较于传统的雷达相控阵及通讯相控阵，其设备并未采用均温板进行合理均温散热，热量在天线单元处会产生集中高温的情况，对于整机而言芯片位置出现的均热“盲区”仍会存在较大的扩散热阻，而采用均温板可以消除这些盲区，扩散热阻会被更有效的削弱，进而提高整个散热器的散热效率；本发明采用压电风扇及散热翅片进行末端散热，相对于其他的液冷等散热措施，均温板及压电风扇、散热翅片的组合散热效果更稳定，可靠，不必担心因液体泄漏而导致散热失效。同时压电风扇不同于传统风扇的电磁线圈，仅靠简单的电路驱动，自身不产生磁场，没有电磁干扰，可以保证卫通相控阵天线单元的稳定正常工作。同时相对于常见的导热垫及轴流风扇散热系统，具有更高的可靠性和散热效率，易损件少、寿命长，没有电磁干扰，散热过程的噪音相对较低，适用于对电磁干扰敏感的大型计算机、电子信号处理、通讯、军工等行业。整机散热系统的平面化设计，配合相控阵天线自身结构平整的特点，使得卫通相控阵用户终端整机更加便携化、轻量化，有利于机载和航天的使用，符合目前行业的使用和发展需求。

实施例2

参见图5和图6，本发明实施例2还提供一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，包括热传导组件、热均衡组件和热扩散组件；

所述热传导组件包括半导体制冷片1，将卫通相控阵天线单元芯片2工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的所述半导体制冷片1中；

所述热均衡组件包括均温板3，通过所述半导体制冷片1将热量传递至所述均温板3，所述均温板3设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片1的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片1的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散组件包括散热翅片4和压电风扇5，所述半导体制冷片1冷凝端的热量由所述均温板3平衡分布后传递至所述散热翅片4，所述散热翅片4通过所述压电风扇5产生的气流将热量扩散至环境中。

本实施例中，所述半导体制冷片1内部设有N型半导体材料和P型半导体材料，所述N型半导体材料和所述P型半导体材料联结成热电偶对；热量从卫通相控阵天线单元芯片2的热源面转移到所述半导体制冷片1的热端。

本实施例中，通过所述均温板3将卫通相控阵天线单元芯片2热量均布在整个板面；再通过所述散热翅片4和所述压电风扇5将热量排出至周围环境。

本实施例中，对所述封闭腔体进行抽真空处理。所述压电风扇5的叶片包括压电陶瓷片6，和所述压电陶瓷片6连接的钢片7；给所述压电陶瓷片6施加交变电压，使钢片7做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流。

需要说明的是，本实施例的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统属于实施例1的高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法的应用方案，具体的实现原理同实施例1，在此不再赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，其特征在于，包括热传导控制、热均衡控制和热扩散控制；

所述热传导控制过程中，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的半导体制冷片中；

所述热均衡控制过程中，通过所述半导体制冷片将热量传递至均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散控制过程中，将所述半导体制冷片冷凝端的热量由均温板平衡分布后传递至散热翅片，所述散热翅片通过压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，其特征在于，所述半导体制冷片内部设有N型半导体材料和P型半导体材料，当所述N型半导体材料和所述P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，热量从卫通相控阵天线单元芯片的热源面转移到所述半导体制冷片的热端。

3.根据权利要求1所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，其特征在于，通过所述均温板将卫通相控阵天线单元芯片热量均布在整个板面；再通过压电风扇产生的气流及散热翅片将热量排出至周围环境。

4.根据权利要求1所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，其特征在于，对所述封闭腔体进行抽真空处理。

5.根据权利要求1所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热方法，其特征在于，所述压电风扇产生气流的方式为：

在压电陶瓷片表面施加电压使压电陶瓷片产生形变，压电陶瓷片在外电场的作用下产生伸缩运动，压电陶瓷片连接的钢片一侧伸长、一侧收缩，使钢片弯曲变形；

给所述压电陶瓷片施加交变电压，使钢片做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流。

6.一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，其特征在于，包括热传导组件、热均衡组件和热扩散组件；

所述热传导组件包括半导体制冷片，将卫通相控阵天线单元芯片工作过程中内部结点产生的热量，通过热传导经由封装材料散逸至预设表面积的所述半导体制冷片中；

所述热均衡组件包括均温板，通过所述半导体制冷片将热量传递至所述均温板，所述均温板设有封闭腔体，所述封闭腔体内部烧结有毛细结构，并注入有循环工质；接触所述半导体制冷片的蒸发端位置的工质吸热蒸发，变成蒸气移动到所述半导体制冷片的冷凝端预冷，工质冷凝成液态放出热量，再通过毛细结构回到蒸发端，形成循环以将热量从蒸发端输送到冷凝端；

所述热扩散组件包括散热翅片和压电风扇，所述半导体制冷片冷凝端的热量由所述均温板平衡分布后传递至所述散热翅片，所述散热翅片通过所述压电风扇产生的气流将热量扩散至环境中。

7.根据权利要求6所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，其特征在于，所述半导体制冷片内部设有N型半导体材料和P型半导体材料，所述N型半导体材料和所述P型半导体材料联结成热电偶对；热量从卫通相控阵天线单元芯片的热源面转移到所述半导体制冷片的热端。

8.根据权利要求6所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，其特征在于，通过所述均温板将卫通相控阵天线单元芯片热量均布在整个板面；再通过所述散热翅片和所述压电风扇将热量排出至周围环境。

9.根据权利要求6所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，其特征在于，对所述封闭腔体进行抽真空处理。

10.根据权利要求6所述的一种高集成度卫通相控阵用户终端的散热系统，其特征在于，所述压电风扇的叶片包括压电陶瓷片，和所述压电陶瓷片连接的钢片；

给所述压电陶瓷片施加交变电压，使钢片做周期性往复运动以扇动空气形成稳定气流。

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