Обгрунтування вибору типу радіаторного профілю для нової конструкції системи охолодження електронного модуля
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.93.58-69Ключові слова:
теплообмін, система охолодження, теплові характеристики, конвективний теплообмінник, радіаторний профільАнотація
Надійна робота складних електронних систем з підвищеним тепловиділенням забезпечується застосуванням ефективних систем охолодження, вартість яких іноді становить до 45% від вартості електронних модулів, які охолоджуються. У зв’язку з цим, розробка нових конструктивних рішень, спрямованих на здешевлення систем охолодження електронних модулів, є актуальною задачею. В даній роботі запропоновано нове конструктивне рішення здешевлення базового варіанта повітряної системи охолодження приймально-передавального модуля (ППМ). Замість корпуса-радіатора приймально-передавального модуля, виконаного методом фрезерування з суцільної алюмінієвої плити завтовшки 53 мм, запропонована конструкція, яка складається з двох частин: удосконаленої корпусної частини, виготовленої методом фрезерування з алюмінієвої плити з удвічі меншою товщиною, та приєднаного до неї конвективного теплообмінника, виготовленого з серійного радіаторного профілю. Активні електронні компоненти крізь вікна в корпусній частині контактують з поверхнею теплообмінника. Обгрунтуванню вибора найбільш вигідного з теплової точки зору радіаторного профілю з існуючих серійних профілів для використання в новій системі охолодження присвячена більша частина даної роботи. Методом комп’ютерного моделювання визначено та порівняно теплові характеристики запропонованої системи охолодження з конвективним теплообмінником в двох варіантах виконання: на основі серійного радіаторного профілю типу 1 та на основі серійного радіаторного профілю типу 2. Типи 1 і 2 радіаторного профілю мають близькі, але різні геометричні характеристики, різну кількість ребер, різну висоту ребер, різну товщину основи і різну масу. Метою моделювання є визначення найбільш ефективного з них для використання в новій системі охолодження ППМ. В результаті моделювання показано, що найбільш ефективним для застосування в конструкції повітряної системи охолодження ППМ є серійний радіаторний профіль типу 1, виготовлений з алюмінієво-магнієвого сплаву АД 31Т, який має: товщину основи 4 мм, висоту ребер 21 мм, крок ребер 7 мм, товщину ребра біля основи 2,5 мм, товщину ребра біля вершини 1 мм. Максимальна температура в місцях встановлення найбільш нагрітих транзисторів на теплообміннику з радіаторного профілю типу 1 на 8,7–4,9 °С (або на 10,0–8,2%) менша, ніж на теплообміннику з радіаторного профілю типу 2 (при швидкості повітря від 1 м/с до 5 м/с). Загальний тепловий опір системи охолодження з використанням радіаторного профілю типу 1 на 13,5–11,9% менший, ніж з використанням радіаторного профілю типу 2. Крім того, маса конвективного теплообмінника на основі радіаторного профілю типу 1 менша на 367 г (або на 8,5%).
Посилання
References
Shinohara N. (2013). Beam Control Technologies With a High-Efficiency Phased Array for Microwave Power Transmission in Japan. Proceedings of the IEEE, Vol. 101, Iss. 6, pp. 1448–1463. DOI: 10.1109/JPROC.2013.2253062.
Hondl K., Weber M. (2019). NOAA's Meteorological Phased Array Radar Research Program. 2019 IEEE International Symposium on Phased Array System & Technology (PAST), pp. 1–6, doi: 10.1109/PAST43306.2019.9020994.
Farina A., Timmoneri L. (2014). Phased array systems for air, land and naval defence applications in Selex ES. The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), pp. 560–564. doi: 10.1109/EuCAP.2014.6901818.
Haupt R. L., Rahmat-Samii Y. (2015). Antenna Array Developments: A Perspective on the Past, Present and Future. IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 57, No. 1, pp. 86–96. doi: 10.1109/MAP.2015.2397154.
Wang C., Wang Y., Lian P., Xue S., et. al (2020). Space Phased Array Antenna Developments: A Perspective on Structural Design. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, Vol. 35, No. 7, pp. 44–63. doi: 10.1109/MAES.2020.2984300.
Kopp B. A., Billups A. J., Luesse M. H. (2001). Thermal Analysis and Considerations for Gallium Nitride Microwave Power Amplifier Packaging. Microwave Journal, Vol. 44, Iss. 12, pp. 72–82.
Rathod S., Sreenivasulu K., Beenamole K. S., Ray K. P. (2018). Evolutionary trends in transmit/receive module for active phased array radars. Defence Science Journal, Vol. 68, No. 6, pp. 553–559. DOI:10.14429/dsj.68.12628.
Chippalkatti V. S., Biradar R. C., Chandrashekar B. K., Suresha K. R., Joteppa S. (2022). Structural and thermal modeling, verification, and optimization of space TR module for radar imaging. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM), doi:10.1007/s12008-022-01133-3.
Park J. S., Shin D.-J., Yim S.-H., Kim S.-H. (2021). Evaluate the Cooling Performance of Transmit/Receive Module Cooling System in Active Electronically Scanned Array Radar. Electronics, Vol. 10(9), 1044, doi:/10.3390/electronics10091044.
Gu L., Feng W., Zhou S., Tang S., Wang S. (2021). A high power X-band internally-matched power amplifier with 705 W peak power and 51.7% PAE. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, e22881. doi:10.1002/mmce.22881.
Herd J. S., Conway M. D. (2016). The Evolution to Modern Phased Array Architectures. Proc. IEEE, Vol. 104, No. 3, pp. 519–529. DOI:10.1109/JPROC.2015.2494879.
Matsumae T., Kurashima Y., Takagi H., Shirayanagi Y., Hiza S., Nishimura K., Higurashi E. (2022). Room temperature bonding of GaN and diamond substrates via atomic layer. Scripta Materialia, Vol. 215, 114725. doi:10.1016/j.scriptamat.2022.114725.
Shukla A., Ray K. (2022). 22-Watts Power Amplifier Design Using GaN HEMT. 2022 IEEE Microwaves, Antennas, and Propagation Conference (MAPCON), pp. 1108–1113. doi: 10.1109/MAPCON56011.2022.10046859.
Wang L., Wang Z., Wang C., Li G., Yin L. (2016). Multiobjective Optimization Method for Multichannel Microwave Components of Active Phased Array Antenna. Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2016, 5398308. doi: 10.1155/2016/5398308.
Hosseinizadeh S., Tan F., Moosania S. (2011). Experimental and numerical studies on performance of PCM-based heat sink with different configurations of internal fins. Applied Thermal Engineering, Vol. 31, Iss. 17–18, pp. 3827–3838. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.07.031.
Wang Y., Wang C., Lian P., et al. (2020). Effect of Temperature on Electromagnetic Performance of Active Phased Array Antenna. Electronics, Vol. 9(8), 1211. doi:10.3390/electronics9081211.
Tan H., Zong K., Du P. (2020). Temperature uniformity in convective leaf vein-shaped fluid microchannels for phased array antenna cooling. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 150, 106224. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106224.
Scott M. (2003). Sampson MFR Active Phased Array Antenna. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, pp. 119–123. doi: 10.1109/PAST.2003.1256967.
Qian S., Ge C., Lou S., Zhang Y., Fan G., Wang W. (2022). Experimental and Numerical Investigations of the Transmitting Antenna in Microwave Wireless Power Transmission with Forced Air Cooling System. Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 33, 101933. doi: 10.1016/j.csite.2022.101933.
Nguyen C.-C., Bui M.-D., Nguyen N.-K.,. Nguye V.-T. (2022). Optimal Design of V-Shaped Fin Heat Sink for Active Antenna Unit of 5G Base Station. Journal of Engineering and Technological Sciences, Vol. 54, No. 3, 220309. doi: 10.5614/j.eng.technol.sci.2022.54.3.9.
Maguire L., Behnia M., Morrison G. (2004). An experimental and numerical study on heat spreading enhancement in high power amplifier heat sinks. European Microelectronics and Packaging Symposium, pp. 1–6.
Swadish M. S., Sangram K. P. (2017). Thermal Design and Analysis of an air cooled X-Band Active Phased Array Antenna. 11th International Radar Symposium India (IRSI-17), pp. 1–5.
Nikolaenko Yu. E., Baranyuk A. V., Reva S. A., Rohachov V. A. (2019). CFD-modeling of the temperature field of the radiator casing of the transmitting module of the active phased antenna arrays with air cooling. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, No. 1–2, pp. 27–33. doi: 10.15222/TKEA2019.1-2.27.
Nikolaenko Yu. E., Baranyuk A. V., Reva S. A., Pis'mennyi E. N., Dubrovka F. F., Rohachov V. A. (2019). Improving air cooling efficiency of transmit/receive modules through using heat pipes. Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 14, 100418. doi: 10.1016/j.tsep.2019.100418.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Юрій Ніколаєнко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
