某星載功分器大功率隔離電阻器溫控方法研究

(中國電子科技集團公司第三十八研究所國家級工業(yè)設(shè)計中心，安徽 合肥 230088)

0 引言

合成孔徑雷達自20世紀(jì)50年代被提出后，憑借其相對于光學(xué)傳熱器的獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘測、災(zāi)情預(yù)報、軍事等領(lǐng)域[1]。功率分配器是將輸入信號功率分成相等或不相等的幾路輸出的一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)[2-3]，廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_等微波設(shè)備中[4]，功分器是星載雷達系統(tǒng)中必不可少的部分。

威爾金森功率分配器是最常用的一種分布參數(shù)功率分配器，其原始模型是同軸形式，此后廣泛應(yīng)用于微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)上[5]。隔離電阻是威爾金森功率分配器上的重要組成部分。由于星載雷達系統(tǒng)工作于高真空、超低溫、強輻射的太空環(huán)境中，惡劣的工作熱環(huán)境使得功分器中隔離電阻溫度超過安全工作范圍，而電子器件超過規(guī)定的溫度范圍，將會出現(xiàn)工作失效的結(jié)果[6-8]。因此，需要對隔離電阻進行精細化溫控，保證功分器在給定的工作溫度范圍內(nèi)正常工作。

在此，針對某星載功分器中隔離電阻的散熱開展溫控方法研究。由于隔離電阻器體積小功耗大，且安裝在熱導(dǎo)率較低的介質(zhì)板上，導(dǎo)熱環(huán)境惡劣。因此通過在介質(zhì)板上設(shè)計金屬化過孔結(jié)構(gòu)，同時利用導(dǎo)熱膠將電阻與金屬化過孔的傳熱路徑打通等方法，從而可以將隔離電阻器溫度控制在安全范圍內(nèi)。

1 研究方法

1.1 熱源分布及熱設(shè)計

功分器一個單元中的構(gòu)造如圖1所示，隔離電阻器焊接在兩端微帶線上，微帶線下方是介質(zhì)板，介質(zhì)板焊接在殼體上。

圖1 隔離電阻器位置

功分器隔離電阻工作功率的考核指標(biāo)最高達1 W，由于該電阻截面尺寸較小，為1.65 mm×0.89 mm，可以算出，其熱流密度高達68 W/cm2。由于電阻器安裝在導(dǎo)熱性能差的介質(zhì)板上，導(dǎo)致其散熱路徑比較差，溫度極易超過其安全工作溫度范圍為-55～125 ℃。

為了給電阻散熱，在電阻兩側(cè)添加微帶線，并且通過3個金屬化通孔與地連接，導(dǎo)帶寬度1 mm，接地孔外徑0.8 mm,內(nèi)徑0.6 mm，孔內(nèi)灌滿焊料，微帶線與電阻之間通過導(dǎo)熱膠連接。因此，電阻器的散熱路徑有：

a. 通過微帶線、介質(zhì)板和殼體傳至均溫邊界。

b. 通過導(dǎo)熱膠、金屬化孔傳至均溫邊界。

c. 通過電阻器下方殘余物質(zhì)、介質(zhì)板和殼體傳至均溫邊界。

1.2 仿真模型

根據(jù)前面的熱設(shè)計具體情況，建立熱仿真模型，如圖2所示。

仿真過程考慮4種工況：

a. 工況1，最初狀態(tài)，只有金屬化過孔結(jié)構(gòu)。

b. 工況2，在工況1的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)熱措施，在金屬化孔的微帶線和電阻器側(cè)面之間涂導(dǎo)熱膠，建立熱連接。

c. 工況3，在工況2的基礎(chǔ)上，假定電阻器下方殘留松香材料。

d. 工況4，在工況3的基礎(chǔ)上假定隔離電阻器一側(cè)與金屬化過孔的焊錫層接觸。

圖2 熱仿真模型

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真模型中的具體熱設(shè)計工況，4種情況下的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在沒有任何熱控措施的情況下，仿真結(jié)果顯示，電阻器溫度高達172.8 ℃，遠超電阻器的標(biāo)稱工作溫度范圍；工況1～工況4對應(yīng)的電阻器溫度分別為84.2 ℃，79.1 ℃，76.2 ℃，67.2 ℃。表明：

a. 增加金屬化過孔和涂導(dǎo)熱膠措施可以顯著改善電阻器的溫度水平。

b. 在焊接清洗過程中的殘留物質(zhì)對導(dǎo)熱過程也有較好的改善。

c. 電阻器一側(cè)與金屬化孔搪錫層接觸可顯著降低電阻器溫度。

圖3 不同處理方式對應(yīng)的電阻溫度

2.2 實驗測量

采用熱電偶測溫方式對電阻器進行了功率加載試驗。熱電偶采用T型熱電偶，探頭直徑為0.5 mm左右，測試方案如圖4所示。用3M聚酰亞胺膠帶將熱電偶探頭固定在電阻器正上方，同時從頂部向下施加一定的壓力，使探頭與電阻頂部緊密接觸，從而使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

對工況4進行溫度測量實驗，測溫結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，測量結(jié)果比分析結(jié)果平均低了7 ℃左右，這可能由2方面的原因?qū)е碌模阂皇怯捎跓犭娕继筋^與電阻器表面的接觸熱阻可使測溫結(jié)果偏低；二是由于電阻器尺寸較小，一部分熱量通過熱電偶探頭導(dǎo)出使溫度測量結(jié)果偏低。通過多次測量，這種偏差是穩(wěn)定的。

圖4 熱電偶測溫示意

圖5 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較

2.3 最終狀態(tài)

根據(jù)實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，確定熱設(shè)計的最終狀態(tài)為：

a. 焊盤大小能夠滿足電阻的兩端與搭在兩側(cè)的微帶線完全接觸。

b. 電阻器下方與介質(zhì)板之間存在殘留的松香材料，其熱導(dǎo)率為0.3 W/(m·K)。

c. 電阻器與金屬化孔的微帶有一側(cè)接觸，且微帶上的搪錫厚度為50 μm。

d. 點涂導(dǎo)熱膠的形態(tài)是其下表面與微帶線和金屬化孔的搪錫層均保持接觸。

針對采取了最終狀態(tài)熱設(shè)計結(jié)構(gòu)的一系列功分器，分別對隔離電阻溫度進行測量，驗證設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性。

在環(huán)境溫度為20 ℃時，對8個電阻器進行測溫實驗，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，熱控措施實施后，電阻器溫度一致性較好，表明熱控措施的穩(wěn)定性?？紤]到熱電偶測溫的偏差，采取最終熱控狀態(tài)的電阻器在功率為1 W時平均溫升為50 ℃左右，可以保證功分器在常規(guī)工作環(huán)境下運行時，隔離電阻器的溫度在標(biāo)稱的工作溫度范圍內(nèi)。

表1 測溫實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

針對某星載功分器隔離電阻熱耗較大，溫升較高極易造成工作失效的問題，通過仿真與實驗相結(jié)合的方法,開展了有效的溫控方法研究。結(jié)果表明,①實驗結(jié)果與仿真結(jié)果溫度趨勢符合性較好，通過實驗與仿真結(jié)果的相互修正，建立了準(zhǔn)確的模型；②通過在微帶板上增加金屬化過孔、涂導(dǎo)熱膠等方式，可以顯著降低主要導(dǎo)熱路徑的熱阻，且多次實驗表明，該技術(shù)狀態(tài)可以固化；③采取上述熱控措施可以使電阻器的溫升控制在50℃左右的安全范圍以內(nèi)，保證了功分器的正常工作。