Book3 (Учебник Конструирование РЭС), страница 6

Рис. 3.19. Конструкция передающего СВЧ-модуля:

1 — металлическое основание; 2 — мощный СВЧ-транзистор;

3 — брокеритовая вставка (шайба); 4 — фольговая перемычка; 5 —конденсатор;

6 — пленочная катушка индуктивности; 7 — отверстие для крепления;

8 — шлейф для подстройки; 9 — навесной ЭРЭ

86

ко, ухудшают условия теплопередачи мощности на корпус, хотя и обес-
печивают «общую землю» и лучшую ремонтопригодность. Существует
еще и третий способ крепления — прижимы подложек к основанию
фторопластовыми винтами. В любом случае поверхность контактиро-
вания подложек и корпуса должна иметь электропроводное и легко-
плавкое покрытие. Такими покрытиями являются Н5 М12.0-Ви9, Хим 0-
ВиЗ и ряд гальванопокрытий с серебром и оловом. В модулях СВЧ пере-
дающего типа, т.е. с мощными транзисторами, транзисторы припаивают
непосредственно к контактам эмиттера, базы и коллектора, размещен-
ным на брокеритовой вставке в виде таблетки, поскольку брокерит-9
имеет теплопроводность, близкую к теплопроводности металлов (рис.
3.19).

Вопросы стыковки микрополосковых узлов приобретают все боль-
шее значение с увеличением рабочих частот в гигагерцовом диапазоне
[15]. Чем качественнее и точнее обеспечивается совмещение микропо-
лосковых линий в зазоре l, в плане Δ W и по высоте Δh (рис. 3.20, а,б,в),

Рис. 3.20. Причины и погрешности геометрической стыковки в микросборках СВЧ
при зазоре между ними (а, г), при ошибке совмещения МСБ в плане (б, д) и по высоте(в,е):
1 — микросборка; 2 — соединительная перемычка; 3 — основание-поддон

87

'

тем меньше возникает паразитных отражений волн в линии, тем мень-
ше коэффициент стоячей волны К по напряжению и тем выше коэффи-
циент передачи мощности при одинаковом волновом сопротивлении
Z _в микрополосковой линии. Так, в сантиметровом диапазоне волн гео-
метрическая стыковка МСБ должна обеспечиваться с точностью
± 100 мкм, а в миллиметровом ±50 мкм (рис. 3.20, г, д, е).

3.6. Влияние объема и формы блоков РЭС
на показатели качества конструкции

В зависимости от назначения, уровня интеграции и объекта установ-
ки объем и форма блоков РЭС могут быть различными: объем обычно
меняется от одной десятой до нескольких десятков кубических деци-
метров, а форма может быть плоской, кубической, прямоугольной или
цилиндрической.

От этих двух параметров конструкций блоков в сильной степени за-
висят такие показатели качества, как допустимая удельная мощность
рассеяния (тепловая напряженность) и вибропрочность, во многом оп-
ределяемая собственной частотой конструкции. Как качественно влия-
ют первые на вторые, известно каждому конструктору: конструктив с
меньшим объемом допускает большую тепловую напряженность, чем
конструктив с большим объемом; конструктив более плоской формы
способен выдержать большую мощность рассеяния, чем куб при равен-
стве объемов, а показатели вибропрочности при этом будут намного ху-
же. Это, казалось бы, можно подтвердить и с помощью формул. Напри-
мер, удельная мощность рассеяния P_УДpacc=Р_РАСС должна зависеть обратно пропорционально от объема, и поэтому если кристалл ИС
с объемом в 1 мм способен рассеивать 40 мВт, т.е. P_{УД РАСС ИС}= 40·10³Вт/дм³ , то блок РЭС, имеющий объем 1 дм , т.е. в 10 раз
больший, должен иметь допустимую тепловую напряженность всего
0,04 Вт/дм³ . Результаты же эксперимента, приведенные в работе [16]
(см. рис. 1.6), дают значение этой величины 10 Вт/дм³, т.е. в 250 раз
больше. Значит, формальный расчет по указанной формуле нереален,
ошибочен.

Поэтому для конкретных конструкторских разработок необходимо
иметь более строгие количественные оценки этого влияния, учитываю-
щие все факторы, в том числе и форму блоков.

Оценим влияние объема блока на удельную мощность рассеяния,
считая для простоты выводов форму блока со стороной a_б кубической.

88

Изменение стороны куба в k j раз приведет к изменению его объема в

K³ j раз. Поскольку площадь поверхности куба S = 6 а² ₆ , а объем V= a³ ₆ ,
то удельная мощность рассеяния

Р _{уд.расс}=(α_к+α_л)Δt(S/V)=(α_к+α_л)Δt(6/α_б)

где а _к, а _л — коэффициенты теплопередачи конвекцией и лучеиспуска-
нием от блока в среду; Δt—перегрев корпуса блока. Если принять какой-
либо объем блока за номинальный, например V₀ =a³ ₆ и по отношению к

нему оценить изменение (вариацию) удельной мощности рассеяния В _р

при изменении (вариации) объема В_V ( в k³₁ раз) для i-го варианта, то такая
оценка может быть проведена по следующей формуле:

где а_б0, , а_бi =k₁ ,а_б0л — стороны куба для номинального объема и i-го

варианта.

С изменением стороны куба (определяющего размера) коэффи-
циент лучеиспускания не меняется; коэффициент конвекции для за-
кона степени 1/4, как показывают расчеты, меняется незначительно
(5...10%), а для закона степени 1/3 не меняется (разд. 5.3). Поэтому вы-
ражение (3.3) можно записать в виде В_р= 1/k₁. Зависимость

В_P=f(В_V), где В _v= V_i /V₀ = k³₁, построенная по точкам, представлена на рис. 3.21. Из графика видно, что при изменении объема в 10 раз в
сторону увеличения или уменьшения удельная мощность рассеяния, в
том числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) в
обратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных из-
менений допустимой тепловой напряженности по общей формуле, так
как главным фактором является не сам -объем, а отношение площади
теплопередачи к объему, т.е. S/V. Поэтому для практических расчетов
на рис. 3.22 приведена зависимость этого отношения от объемов блоков
РЭС.

Оценим количественное влияние формы блока на удельную мощ-
ность рассеяния. Для этого кубическую форму блока будем либо «вы-
тягивать» в столбик, либо «сжимать» в более плоскую (планарную)

89

Рис. 3.21. Зависимость вариации мощ- Рис. 3.22. Зависимость отношения пло-

ности рассеяния блока щади теплоотдачи блока

от вариации его объема к его объему от объема блока

Рис. 3.23. К определению

коэффициента планарности

конструкции блока

пластину. Второй случай на прак-
тике более реален, причем пла-
стина может иметь как квадрат-
ную, так и прямоугольную фор-
мы. Для простоты выводов выбе-
рем квадратную форму плоского
блока — панель. Введем понятие
коэффициента планарности, от-
ражающего степень плоскости

конструкции, как k₂ = a₆/h ', где
а ₆ — сторона куба, h ' — высота панели (рис. 3.23). При этом объемы
куба и панели равны. Откуда a₆S₀ = h'S_t и k₂ = S_i/S₀ . Поскольку
S,- > S ₀, то при увеличении коэффициента планарности должна возра-
сти допустимая мощность рассеяния в блоке, так как с большей площа-
ди теплоотдачи в среду может быть передана большая мощность рас-
сеяния.

Оценим это количественно. Обозначим увеличение стороны
верхней грани панели через k₃ = a₆ /а _б . Тогда общая площадь теплоотдачи панели

S_n = 2a²_бi ₊ 4a₆h' = 2k₃a₆(k₃a_{6 +} 2a₆/k₂)=2a²₆k₃(k₃ +(2/k₂ )

Из равенства объемов находим, что и k²₃=k₂.
Заменив k₃ на k₂ в выражении для площади, получим

Увеличение удельной мощности рассеяния В'_р

за счет перехода от кубической формы блока к панельной будет равно увеличению площади теплоотдачи этих форм, т.е.

Рис. 3.24. Зависимости вариации

мощности рассеяния блока
от коэффициента планарности:
/ — для панели; 2 — для балки

По этой формуле получена зависимость выигрыша в удельной мощности рассеяния

(ее вариация В '_р ) от степени планарности

формы блоков РЭС (рис. 3.24). Приведен-
ные выше зависимости имеют непосред-
ственное практическое значение при вы-
боре рациональных объемов и формы
блоков РЭС.

Пример 3.3. Требуется найти минимально допустимые габариты
блока, если известно, что k₂ = 3, Δt = 40°C при t_max = 60 "С, α_к+α_л = 0,12 Вт / (дм² • °С), Р₀ = 40 Вт.

Принимаем, что 80% потребляемой мощности рассеяния переходит
в тепловую энергию, или Р _расс = 32 Вт. Определим допустимую мощность рассеяния для блока кубической формы. Из графика рис. 3.24 для k ₂ = 3 находим В '_р - 1,39, тогда Р _расс = 32 / 1,39 = 23 Вт. Удельная мощность рассеяния в блоке Р _{уд расс} =23/V. Допустимая удельная мощность рассеяния

Р _{уд расс доп} =0,12· 40S/V. По графику рис. 3.22 методом последовательных приближений находим, что для выполнения условия Р _{уд расс} = Р _{уд расс доп}, необходим объем V= 0,73дм³, при котором S/V=6,61/дм и Р_{уд расс}=31,5 Вт/дм³. Сторона куба равна а _б = = 0,9 дм = 90 мм. Высота блока h ' = а _б /k ₂ = 30 мм , а сторона блока а_б и = = 1,73 · 90 = 156 мм. Искомые (минимально допустимые) габариты блока: 156x156x30 мм. При наличии унифицированных типоразмеров блоков выбирается ближайший типоразмер, при этом стороны верхней грани могут корректироваться таким образом, чтобы ее площадь оставалась примерно постоянной; например, размеры 156x156 мм могут быть заменены на 420x57 мм. Это возможно по той причине, что результаты по расчету В '_р для панелей квадратной и прямоугольной форм мало различаются между собой (кривая 2 на рис. 3.24).

Рассмотрим далее влияние объема и формы блоков на вибропроч-
ность конструкций. Оценка этого влияния может характеризоваться из-