Мощные СВЧ усилители в модульном исполнении весьма популярны у разработчиков систем связи, управления, интернета вещей, радиолокации и многих других. Они очень удобны, не требуют сложной настройки и устойчивы к ошибкам неквалифицированного персонала.

При эксплуатации усилитель должен использоваться с рассчитанной и испытанной системой охлаждения. Вся конструкция должна быть устойчива в широком диапазоне температур. Однако, при тестировании мощных усилителей в лабораторных условиях нет необходимости, а зачастую времени и ресурсов на полноценный расчет системы охлаждения, а есть задача быстро и максимально дешево провести тестирование изделия. Приведу мой опыт подбора радиатора на примере проведения испытаний конкретного усилителя. Усилитель одного из китайских производителей в модульном исполнении, подвергавшийся испытаниям, представлен на рис. №1

Электрические и механические параметры, заявляемые производителем представлены в таблицах 1 и 2 соответственно

Таблица №1 электрические параметры

Таблица №2 механические параметры

Допустимые параметры окружающей среды и предельно допустимые параметры в табл. №3 и №4

Таблица №3 допустимые параметры окружающей среды

Таблица №4 предельно допустимые параметры

Из описания видно, что устройство обладает большим коэффициентом усиления и большой потребляемой мощностью. Таким образом, охлаждение и ослабление выходной мощности это две основные задачи, которые будут решаться при проведении работ. Тема ослабления выходной мощности будет освещена отдельно в следующей статье.

Испытания будем проводить в режиме непрерывной генерации – это требование заказчика. Рассчитаем выделяемую тепловую мощность руководствуясь данными производителя. Pвых = 50Вт, Рпот = 280Вт. Вся мощность, которая не уйдет в СВЧ тракт выделится в тепло. Pвыд = Pпот – Pвых = 230 Вт. Значит при полной мощности необходимо отвести от усилителя 230 Вт, так, чтобы температура его внешней поверхности не превысила 60° С. Для расчета размера радиатора воспользуемся онлайн калькулятором. Результат расчета с сайта представлен на рис. №2. При расчете я использовал объемное термическое сопротивление Rv = 250, поскольку при работе будет использоваться принудительная вентиляция - два кулера 120х120мм.

В нижней части рисунка рассчитан объем одного из имеющихся в распоряжении радиаторов 20х15х5см с ребрами 1,5мм и шагом 14мм. В указанном примере два допущения: объем радиатора выдается без учета ребер, которые значительно увеличивают площадь; скорость потока воздуха принята 1 м/с полноценное моделирование которого не проводилось. Скорость потока от имеющихся вентиляторов была экспериментально измерена анемометром. Надо упомянуть, что существуют формулы и ГОСТ для оценки скорости потока воздуха от вентилятора, они требуют измерения с помощью трубы с установленным внутри ламинатором и справедливы только для указанных условий. Как только изменятся размеры воздуховода или появятся препятствия на пути воздушного потока он тут же перестанет быть ламинарным – скорость и направление его будут меняться по весьма сложным законам. Анализ данных явлений не входил в состав работ, поэтому ограничимся экспериментальным измерением анемометром. Так же при проведении испытаний будет закреплено несколько термопар на корпусе для контроля температур во время плавного увеличения тока, для того чтобы если расчеты неверны можно было остановить процесс. Итак, судя по предварительной оценке с имеющимся радиатором 20х15х5см и включенным обдувом можно приступать к включению. Соединяя радиатор и корпус изделия наносим термопасту, чтобы уменьшить температуру перехода. Обязательно должным образом нагружаем выход и ослабляем сигнал подобрав соответствующие аттенюаторы, проверяем все соединения. При таких мощностях любая ошибка может привести к повреждению измерительной аппаратуры или испытуемого изделия. Убедившись в правильности подключения подаем питание, сигнал управления на включение – контролируем ток и температуру. Если ток и температура в пределах допустимых производителем подаем СВЧ сигнал, начиная с малых мощностей – 30дБм. Постепенно увеличиваем входную мощность, контролируя ток, выходную мощность и температуру, пока не достигнем номинальной мощности. Продолжаем плавно увеличивать входную мощность до достижения режима насыщения усилителя. После завершения измерений сначала выключаем СВЧ сигнал, потом напряжение питания и только потом обдув радиатора!

Результаты испытаний СВЧ модуля на частоте 2ГГц приведены в таблице №5.

Таблица №5

Обратите внимание на ток – он составляет 6,68А в режиме насыщения, а в режиме номинальной мощности 47дБм (50Вт) равен 5,82А. Таким образом максимальная выделяемая тепловая мощность составила 28В х 5,82А = 162,96Вт – 50Вт = 112,96Вт ≈113Вт, что меньше чем расчетная выделяемая мощность 230 Вт почти в два раза. При этом корпус СВЧ модуля при работе в течении получаса нагрелся до 30°С согласно показаниям термопар. Расчет в той же программе для выделяемой тепловой мощности 113Вт и скорости обдува 1 м/с представлен на рис №3

Из расчета видно, что при данных условиях объем примененного радиатора почти в два раза превышает требуемый, что косвенно подтверждается измеренной температурой 30°С вместо 60°С до которой должен был нагреться усилитель, согласно предыдущего расчета.

Заключение

Практика показала, что с помощью подобных калькуляторов можно достаточно точно определить размер необходимого радиатора. Огромное значение имеют количество и форма ребер, материал радиатора, качество соединения радиатора и охлаждаемого объекта. Так же значительно улучшает температурный режим принудительная вентиляция. При проверке расчетов на практике обязателен контроль температуры в нескольких точках корпуса совместно с плавным увеличением мощности, если это возможно. Необходимо быть готовым прекратить подачу мощности и питания, как только температура корпуса начнет приближаться к критическим значениям. Раннее выключение поможет предотвратить перегрев самих кристаллов транзисторов, которые имеют температуру выше чем наружная поверхность корпуса. Для расчета систем охлаждения с целью постоянной эксплуатации усилителя я все же рекомендую пользоваться полноценным моделированием с последующей экспериментальной отработкой.