RU2054835C1

RU2054835C1 - High-frequency module

Info

Publication number: RU2054835C1
Application number: RU92003087A
Authority: RU
Inventors: Сергей Германович Бурдин; Александр Гарольдович Волков; Тенгиз Омарович Гогоберидзе; Владимир Августович Руппель; Сергей Евгеньевич Чугунов
Priority date: 1992-10-10
Filing date: 1992-10-10
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: high-frequency module has a case, finned radiators, heat pipe, superhigh-frequency members, zones of failed joint between case walls and the members filled with foam dielectric material, coaxial and wave-guide paths for external communication. The case has front and back radiators interconnected rigidly with columns, and a shell with a ring, with the shell being drawn onto the back radiator. The ring is squeezed against the back radiator with low contact thermal resistance. The radiators and the shell form through sealed rings closed sealed volume and all surfaces of module structure transfer heat to the environment. Finned radiator includes antenna reflector. Finns placed under the reflector are concentric being smaller in height as approaching the center, and are provided with radial slots. Using elastic-deformable members the superhigh-frequency members are placed on heat conductive base that is connected to the radiator through thermally controlled heat pipe. Wave guide paths are connected to wave guide flange on module case with thin- walled insertion piece with high thermal resistance. Foam dielectric material is used to fill zones with failed joint between case walls and the members. EFFECT: high efficiency. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для систем связи преимущественно миллиметрового диапазона длин волн. The invention relates to radio engineering and is intended for communication systems mainly in the millimeter wavelength range.

Предпосылками к созданию изобретения явились проблемы технологичности конструкции и ее эксплуатационной надежности. The prerequisites for the creation of the invention were the problems of technological design and its operational reliability.

Известны простые и широко применяемые конструкции блоков, эксплуатационная надежность которых повышается путем улучшения их температурных режимов. К таким можно отнести радиоэлектронный модуль [1] содержащий оребренный корпус, на противоположных стенках которого выполнены направляющие, имеющие каждая герметичную камеру, заполненную жидкостью. В модуле осуществляется эффективный сброс тепла. Однако подобная конструкция не может обеспечить термостатирование. Simple and widely used block designs are known, the operational reliability of which is improved by improving their temperature conditions. These include the radio-electronic module [1] containing a finned body, on the opposite walls of which are made guides having each hermetic chamber filled with liquid. The module provides effective heat rejection. However, such a design cannot provide temperature control.

Известен радиоэлектронный модуль [2] В модуле осуществляется эффективное охлаждение "сбросом" тепла, выделяющегося в печатных платах на теплоотвод, и далее через прижатые контактные поверхности теплопроводящей шины на ребристый корпус. Плотный контакт обеспечивается упругими элементами-пружинами. Недостатком данного модуля является отсутствие термостабилизации, что ухудшает его эксплуатационную надежность. Known electronic module [2] The module provides effective cooling by "dumping" the heat released in the printed circuit boards to the heat sink, and then through the pressed contact surfaces of the heat-conducting bus to the ribbed casing. Tight contact is provided by elastic spring elements. The disadvantage of this module is the lack of thermal stabilization, which affects its operational reliability.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототип высокочастотный интегральный модуль [3] Данное устройство содержит корпус, радиатор, тепловую трубу, компоненты в виде прямоугольных параллелепипедов: полупроводниковые, металлические, диэлектрические и гиромагнитные СВЧ-элементы. Пенистый диэлектрик заполняет зоны несочленения между стенками корпуса и компонентами. Для внешней коммутации модуля служат высокочастотные коаксиальные и волноводные соединители, а также низкочастотные металлостеклянные соединители. Теплоотвод от основания-радиатора выполняется в общей системе принудительной вентиляции изделия при соответствующей ориентации ребер радиатора. The closest to the claimed device in technical essence and the achieved result is a high-frequency integrated module selected as a prototype [3] This device contains a housing, a radiator, a heat pipe, components in the form of rectangular parallelepipeds: semiconductor, metal, dielectric and gyromagnetic microwave elements. A foam dielectric fills the non-joint zones between the walls of the housing and the components. For external switching of the module, high-frequency coaxial and waveguide connectors, as well as low-frequency metal-glass connectors, are used. The heat sink from the radiator base is carried out in the general system of forced ventilation of the product with the corresponding orientation of the radiator fins.

Данная конструкция высокочастотного модуля отличается повышенной плотностью компоновки и технологичностью конструкции, корпус герметизируется пайкой или микросваркой, что повышает эксплуатационную надежность. This design of the high-frequency module is characterized by an increased density of layout and manufacturability of the design, the case is sealed by soldering or microwelding, which increases operational reliability.

Однако данный модуль не содержит элементов, позволяющих осуществлять термостатирование без, например, принудительной регулируемой вентиляции, а пенистый диэлектрик и сваренный корпус затрудняют доступ к СВЧ-элементам для настройки блока, что в совокупности снижает эксплуатационную надежность и технологичность конструкции модуля. However, this module does not contain elements that allow thermostating without, for example, forced controlled ventilation, and a foamy dielectric and a welded case make it difficult to access microwave elements to configure the unit, which together reduces the operational reliability and manufacturability of the module design.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности и технологичности конструкции высокочастотного модуля. The aim of the invention is to increase the operational reliability and manufacturability of the design of the high-frequency module.

Цель достигается тем, что в высокочастотном модуле, содержащем корпус, ребристый радиатор, тепловую трубу, СВЧ-элементы, заполненные пенистым диэлектриком зоны несочленения между стенками корпуса и элементами, коаксиальные и волноводные тракты для внешней коммутации, корпус состоит из переднего и заднего радиаторов, соединенных жестко колонками, и надвигаемой на задний радиатор обечайки с кольцом, прижатым к заднему радиатору с малым контактным термосопротивлением, при этом радиаторы и обечайка образуют посредством уплотнительных колец замкнутый герметичный объем и все поверхности конструкции модуля передают тепло в окружающее пространство. Ребристый радиатор включает в себя рефлектор антенны, а расположенные под рефлектором ребра выполнены концентрическими, уменьшающимися по высоте к центру с радиальными прорезями. На теплопроводящей плате, соединенной с радиатором терморегулируемой тепловой трубой при помощи обжимающих трубу упругодеформирующихся элементов, расположены СВЧ-элементы. Волноводные тракты соединены с волноводным фланцем на корпусе модуля тонкостенной вставкой с высоким термическим сопротивлением. Пенистый диэлектрик заполняет зоны несочленения между стенками корпуса и элементами окончательно вспененными гранулами. The goal is achieved in that in a high-frequency module containing a housing, a finned radiator, a heat pipe, microwave elements filled with a foamy dielectric of the non-joint zone between the walls of the housing and the elements, coaxial and waveguide paths for external switching, the housing consists of front and rear radiators connected rigidly by columns, and shells pushed onto the rear radiator with a ring pressed against the rear radiator with low contact thermal resistance, while the radiators and the shell are formed by means of sealing rings A closed enclosed volume and all surfaces of the module structure transfer heat to the surrounding space. The fin radiator includes an antenna reflector, and the fins located under the reflector are made concentric, decreasing in height to the center with radial slots. Microwave elements are located on a heat-conducting circuit board connected to a radiator by a thermo-regulated heat pipe by means of elastically deforming elements compressing the pipe. The waveguide paths are connected to the waveguide flange on the module case with a thin-walled insert with high thermal resistance. A foamy dielectric fills the non-articulation zones between the walls of the housing and the elements with finally foamed granules.

Новыми, существенными признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются выполнение корпуса разборным из герметично соединенных переднего и заднего радиаторов и надвигаемой на задний радиатор обечайки с кольцом с малым термическим сопротивлением частей и передача тепла в окружающее пространство всеми поверхностями конструкции модуля; радиатор включает в себя рефлектор антенны; выполнение ребер радиатора, расположенных под рефлектором, концентрическими, уменьшающимися по высоте к центру с радиальными прорезями; введение теплопроводящей платы с расположенными на ней СВЧ-элементами, соединенной с радиатором терморегулируемой тепловой трубой при помощи обжимающих трубу упругодеформирующихся элементов; соединение волноводных трактов с волноводным фланцем на корпусе модуля тонкостенной вставкой с высоким термическим сопротивлением; пенистый диэлектрик, заполняющий зоны несочленения между стенками корпуса и элементами, представляет собой окончательно вспененные гранулы. New, significant features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are the case of a collapsible case made of hermetically connected front and rear radiators and a shell with a ring with low thermal resistance of parts pushed onto the rear radiator and heat transfer to the surrounding space by all surfaces of the module structure; the radiator includes an antenna reflector; the implementation of the radiator fins located under the reflector are concentric, decreasing in height to the center with radial slots; the introduction of a heat-conducting board with microwave elements located on it, connected to a radiator by a thermo-regulated heat pipe with the help of elastically deforming elements compressing the pipe; connection of waveguide paths with a waveguide flange on the module case with a thin-walled insert with high thermal resistance; a foamy dielectric filling the non-articulation zones between the walls of the housing and the elements is a finally foamed granule.

Анализ известных в данной области техники технических решений показывает, что все признаки вместе образуют совокупность, приводящую к достижению цели изобретения, т.е. обеспечивают повышение эксплуатационной надежности и технологичности конструкции высокочастотного модуля. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия". An analysis of the technical solutions known in the art shows that all the features together form a combination leading to the achievement of the objective of the invention, i.e. provide increased operational reliability and manufacturability of the design of the high-frequency module. Therefore, the claimed solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже схематически изображен предлагаемый модуль. The drawing schematically shows the proposed module.

Модуль содержит металлический герметичный корпус, состоящий из переднего 1 и заднего 2 радиаторов, соединенных жестко между собой колонками 3, и обечайки с кольцом 4, которая надвигается на задний радиатор и образует с помощью уплотнительных колец герметичный объем. Кольцо обечайки прижато к заднему радиатоpу по плоскости с малым термическим сопротивлением. Внутри корпуса расположены на общем теплопроводящем основании 5 электронные блоки 6, требующие термостабилизации. Теплопроводящее основание подвешивается на терморегулируемых тепловых трубах 7 посредством кронштейнов 8 к радиаторам, для чего основание и кронштейны снабжены упругими охватывающими трубу зажимами с малым термическим сопротивлением. Связь волноводных блоков на термостабилизированном основании с разъемом, установленным на радиаторе, выполнена с помощью тонкостенной неметаллической вставки 9 с высоким термическим сопротивлением. Электронные блоки 10, не требующие термостабилизации, установлены в непосредственной близости от обечайки на отдельном основании 11, укрепленном на радиаторах. Свободное пространство внутри корпуса модуля заполнено гранулами 12 окончательно вспененного диэлектрика. К радиатору пристыкован с малым термическим сопротивлением рефлектор 13 зеркальной антенны, выполненный из теплопроводящего материала. The module contains a metal sealed enclosure, consisting of a front 1 and a rear 2 radiators, rigidly interconnected by columns 3, and a shell with a ring 4, which slides on the rear radiator and forms a sealed volume with the help of o-rings. The ring of the shell is pressed against the rear radiator in a plane with low thermal resistance. Inside the housing are located on a common heat-conducting base 5 electronic units 6 that require thermal stabilization. The heat-conducting base is suspended on thermostatically controlled heat pipes 7 by means of brackets 8 to the radiators, for which the base and brackets are equipped with elastic clips covering the pipe with low thermal resistance. The connection of the waveguide blocks on a thermostabilized base with a connector mounted on a radiator is made using a thin-walled non-metallic insert 9 with high thermal resistance. Electronic blocks 10 that do not require thermal stabilization are installed in the immediate vicinity of the shell on a separate base 11 mounted on radiators. The free space inside the module case is filled with granules 12 of a finally foamed dielectric. A reflector 13 of the mirror antenna made of heat-conducting material is docked to the radiator with low thermal resistance.

Устройство функционирует следующим образом. При работе электронных блоков 6 выделяющееся в них тепло переходит в теплопроводящее основание 5 и далее по терморегулируемым тепловым трубам 7 через кронштейны 8 к радиаторам 1 и 2. Последние сбрасывают тепло в окружающую среду. The device operates as follows. During operation of the electronic units 6, the heat released in them is transferred to the heat-conducting base 5 and then through the thermally-regulated heat pipes 7 through the brackets 8 to the radiators 1 and 2. The latter discharge heat into the environment.

Эффективность радиаторов увеличивается подстыкованными к ним с малым термическим сопротивлением обечайкой с кольцом и рефлектором зеркальной антенны. Соединение радиаторов жесткими колонками позволяет проводить монтаж блоков внутри модуля при снятой обечайке, что обеспечивает удобный доступ ко всем внутренним элементам модуля, т.е. повышает технологичность конструкции при сборке. The efficiency of the radiators is increased by a shell with a ring and a reflector of a mirror antenna docked to them with a small thermal resistance. The connection of radiators with rigid columns allows the installation of blocks inside the module with the shell removed, which provides convenient access to all internal elements of the module, i.e. increases the manufacturability of the structure during assembly.

Выполнение ребер радиатора, расположенных под рефлектором, концентрическими и уменьшающимися по высоте к центру с радиальными прорезями, позволяет при максимальной площади ребер получить их минимальную засветку от солнечных лучей. The implementation of the radiator fins located under the reflector, concentric and decreasing in height to the center with radial slots, allows for the maximum area of the fins to get their minimum exposure to sunlight.

Термическое сопротивление терморегулируемой тепловой трубы зависит от температуры радиатора (с уменьшением последней оно растет), что позволяет осуществить пассивное термостатирование основания 5 модуля в некотором диапазоне температур. Электронные блоки 10, не требующие термостатирования, сбрасывают выделяющееся в них тепло непосредственно через основание 11 на радиаторы и далее в среду, а также через воздух на обечайку и далее в среду. The thermal resistance of a thermostatically controlled heat pipe depends on the temperature of the radiator (it decreases with a decrease in the latter), which allows passive thermostating of the base 5 of the module in a certain temperature range. The electronic units 10, which do not require thermostating, discharge the heat released in them directly through the base 11 to the radiators and then to the medium, and also through the air to the shell and then to the medium.

Крепление терморегулируемых тепловых труб посредством упругих, охватывающих трубу зажимов позволяет снизить термоупругие механические напряжения, возникающие в конструкции при высокой разности температур между корпусом модуля и основанием 5, что также увеличивает эксплуатационную надежность и делает легкой установку и снятие трубы при сборке разборке модуля. The fastening of thermally regulated heat pipes by means of elastic clamps covering the pipe allows to reduce the thermoelastic mechanical stresses that occur in the structure at a high temperature difference between the module body and base 5, which also increases operational reliability and makes it easy to install and remove the pipe during assembly disassembling the module.

Соединение внутренних волноводных трактов с волноводным фланцем на корпусе модуля тонкостенной вставкой с высоким термическим сопротивлением, а также теплоизоляция из гранул 12, заполняющая все свободное пространство внутри модуля, позволяют стабилизировать тепловую мощность, прокачиваемую через тепловые трубы при изменении в широком диапазоне температуры внешней среды, что приводит к улучшению термостабилизации основания 5. Осуществление пассивной термостабилизации модуля увеличивает его эксплуатационную надежность. The connection of the internal waveguide paths with the waveguide flange on the module case with a thin-walled insert with high thermal resistance, as well as thermal insulation from granules 12, filling all the free space inside the module, makes it possible to stabilize the heat power pumped through the heat pipes when changing over a wide range of ambient temperature, which leads to improved thermal stabilization of the base 5. The implementation of passive thermal stabilization of the module increases its operational reliability.

Выполнение теплоизоляции модуля заполнением свободных объемов внутри модуля вспененными гранулами делает легкой ее размещение в модуле при его сборке, а также удаление при разборе, т.е. улучшает технологичность конструкции. Performing thermal insulation of the module by filling the free volumes inside the module with foamed granules makes it easy to place it in the module during its assembly, as well as to remove it during analysis, i.e. improves the manufacturability of the design.

Claims

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МОДУЛЬ, содержащий герметичный корпус с ребристым радиатором с внешней стороны его, размещенные в корпусе тепловую трубу и высокочастотные элементы, свободное пространство между которыми и стенками корпуса заполнено пенистым диэлектриком, и коаксиальные и волноводные тракты для внешней коммуникации, отличающийся тем, что ребристый радиатор корпуса выполнен из двух частей, а корпус выполнен в виде двух указанных выше частей радиатора, жестко соединенных между собой, и обечайки с кольцом с одной стороны из материала с малым термическим сопротивлением, которая герметично соединена с частями радиатора, а волноводные тракты для внешней коммутации снабжены тонкостенной вставкой из материала с высоким термическим сопротивлением и соединены с ней. 1. HIGH-FREQUENCY MODULE, comprising a sealed enclosure with a fin radiator on its outside, a heat pipe and high-frequency elements placed in the enclosure, the free space between which and the enclosure walls is filled with a foamy dielectric, and coaxial and waveguide paths for external communication, characterized in that the ribbed the radiator of the casing is made of two parts, and the casing is made in the form of the two above-mentioned parts of the radiator, rigidly interconnected, and the shell with the ring on one side of the material with m thermal resistance, which is hermetically connected to the radiator parts, and the waveguide paths for external switching are equipped with a thin-walled insert made of a material with high thermal resistance and are connected to it.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен рефлектором, установленным на части радиатора с его внешней стороны, противоположной размещению тонкостенной вставки, над его ребрами, которые выполнены концентрическими и уменьшающимися по высоте в направлении к его центральной части, в которой выполнены радиальные прорези. 2. The module according to claim 1, characterized in that the casing is equipped with a reflector mounted on the part of the radiator from its outer side, opposite to the placement of a thin-walled insert, above its fins, which are made concentric and decreasing in height towards its central part, in which radial slots are made.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он снабжен теплопроводящим основанием в виде платы, кронштейнами из теплопроводного материала с замками, соединенными с тепловой трубой, причем высокочастотные элементы и тепловая труба установлены на теплопроводящем основании с возможностью теплового контакта с ней, а кронштейны соединены с частями радиатора с возможностью теплового контакта с ними. 3. The module according to claim 1, characterized in that it is equipped with a heat-conducting base in the form of a board, brackets of heat-conducting material with locks connected to the heat pipe, and the high-frequency elements and the heat pipe are installed on the heat-conducting base with the possibility of thermal contact with it, and the brackets are connected to the radiator parts with the possibility of thermal contact with them.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве пенистого диэлектрика использован гранулированный материал. 4. The module according to claim 1, characterized in that granular material is used as a foam dielectric.