劉海建，陳宇鵬，左 濤，尚承偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所， 安徽 合肥 230043)

一種高靈敏度超導(dǎo)接收前端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

劉海建，陳宇鵬，左 濤，尚承偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所， 安徽 合肥 230043)

空間用超導(dǎo)接收前端必須經(jīng)受熱真空和振動(dòng)、沖擊等環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試的考驗(yàn)，需要可靠的集成設(shè)計(jì)來控制制冷機(jī)冷指的變形量，而可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。文中介紹了一種空間用高靈敏度超導(dǎo)接收前端的小型化、低漏熱和高可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該接收前端采用自制的分置式斯特林制冷機(jī)(2.8 W @ 77 K)。采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的鋁板底座有效地將制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量傳送到安裝平臺(tái)，滿足了熱真空指標(biāo)。采用冷焊制成的異種形狀的柔性導(dǎo)熱帶大大減小了制冷機(jī)冷指受應(yīng)力沖擊所造成的變形。采用隔熱支撐結(jié)構(gòu)連接超導(dǎo)濾波器和低溫放大器等器件，既滿足了機(jī)械強(qiáng)度要求，又有效地減小了漏熱。對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，并采用Pro/E和ANSYS對(duì)整機(jī)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

超導(dǎo)接收；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建模仿真

引 言

利用高溫超導(dǎo)材料先進(jìn)制備技術(shù)和超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)制成的高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)在通信、軍事方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，將其應(yīng)用于電子裝備的接收前端，可大幅度提高接收機(jī)的靈敏度和選擇性，提高通信距離和質(zhì)量，提高制導(dǎo)精確度，增強(qiáng)抗干擾能力等。目前美國已將高溫超導(dǎo)微波接收機(jī)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、軍事通信和導(dǎo)彈制導(dǎo)等，使現(xiàn)代武器裝備的性能提高到了一個(gè)全新的水平。我國已將高溫超導(dǎo)技術(shù)列入“國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃”[1]。目前高溫超導(dǎo)材料與技術(shù)產(chǎn)業(yè)處于起飛的前夜，今后十年是研發(fā)高溫超導(dǎo)材料先進(jìn)制備技術(shù)和超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，也是我國能否在未來超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的國際競(jìng)爭中取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵時(shí)期[1]。

目前空間用高溫高靈敏度超導(dǎo)接收前端所面臨的主要問題有：小型化設(shè)計(jì)、較高的機(jī)械可靠性以及低漏熱。針對(duì)這些問題，本文介紹了一種高溫高靈敏度超導(dǎo)接收前端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 一種高溫高靈敏度超導(dǎo)接收前端的整體結(jié)構(gòu)

空間用小型化超導(dǎo)接收前端主要包括制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超導(dǎo)濾波放大系統(tǒng)等。其中包括高溫超導(dǎo)濾波器和低溫低噪聲放大器的放大電路為其核心部分，濾波器微帶電路由高溫超導(dǎo)薄膜材料制作，工作在60～80 K低溫環(huán)境[1]，所以制冷機(jī)組件也是接收前端的一個(gè)關(guān)鍵部件，制冷機(jī)與高溫超導(dǎo)濾波器之間的連接也成為其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 小型化設(shè)計(jì)

本結(jié)構(gòu)采用自制的分置式斯特林制冷機(jī)，由壓蓋將制冷機(jī)固定在底座上。根據(jù)制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，底座采用密度較小導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁板制成特殊的整體式。放大器濾波器上下排列以減小空間占用，用螺釘固定在支板下面，通過支桿安裝在底座上。杜瓦筒根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理地固定在底座上以減小整體結(jié)構(gòu)尺寸。此結(jié)構(gòu)長251 cm，寬194 cm，杜瓦外徑Φ122 cm，整體高度不超過90 cm，總質(zhì)量不超過10 kg。完全可以滿足空間用超導(dǎo)接收前端的要求。

1.2 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)

空間用的超導(dǎo)接收前端一定要能夠經(jīng)受較高的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)要求。本結(jié)構(gòu)的濾波器放大器腔體及SMA等由4根支桿支撐(圖2)，通過導(dǎo)熱帶連接在冷指冷頭上。斯特林制冷機(jī)冷指為薄壁件，較大變形量可使制冷機(jī)失效，因此必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來保證制冷機(jī)的正常工作。支撐桿采用環(huán)氧層壓玻璃布棒(彎曲壓縮強(qiáng)度均大于240 MPa)[2]。柔性導(dǎo)熱帶采用銅箔冷焊壓制而成的異種形狀，一端夾在濾波器放大器腔體之間，通過螺釘固定在支板下面，由4根環(huán)氧玻璃布棒支撐在杜瓦底板上。導(dǎo)熱帶另一端用螺釘連接在冷頭上。腔體、SMA及元器件等在強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊下可能對(duì)冷指造成很大的變形，柔性導(dǎo)熱帶可以大大減小冷指上的受力，保證制冷機(jī)的正常工作。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)

1.3 低漏熱設(shè)計(jì)

傳導(dǎo)漏熱主要由4根支撐桿和射頻引線造成。為減少傳導(dǎo)漏熱，4根支撐桿采用強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱系數(shù)較小(小于0.28)的非金屬材料環(huán)氧玻璃布棒[3]。輻射漏熱是空間中主要的漏熱方式，在濾波器放大器腔體表面鍍銀以減小法向發(fā)射率從而減少熱輻射[4]。另外杜瓦采用活密封(方便對(duì)杜瓦筒內(nèi)元器件進(jìn)行包裹)，用絕熱材料包裹元器件，這樣可以大大減少輻射漏熱，如果進(jìn)行多層包裹，輻射漏熱將可忽略。

2 機(jī)械強(qiáng)度可靠性分析

機(jī)械強(qiáng)度可靠性分析主要是校核4根環(huán)氧玻璃布棒能否對(duì)腔體及元器件起到穩(wěn)定的支撐作用。腔體、SMA、彎頭等所有元器件總重約8.57×10-2kg，最大加速度取30g，分別對(duì)冷頭X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行應(yīng)力分析。為減少計(jì)算量，簡化模型去掉不影響計(jì)算結(jié)果的部分，用Pro/E建模將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中，劃分網(wǎng)格后如圖3所示。

圖3 簡化后網(wǎng)格模型

施加約束、載荷后計(jì)算所得X、Y、Z三個(gè)方向的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖4～圖6所示。

圖4 X方向變形、應(yīng)力云圖

圖5 Y方向變形、應(yīng)力云圖

圖6 Z方向變形、應(yīng)力云圖

根據(jù)斯特林制冷機(jī)設(shè)計(jì)要求：冷頭可承受最大徑向力Fr=30 N，最大軸向力Fa=300 N；冷指上最大變形量不超過0.009 mm。從計(jì)算結(jié)果可以看出，冷頭最大變形量X方向?yàn)?.002 499 mm，Y方向?yàn)?.004 876 mm，Z方向?yàn)?.002 569 mm，完全滿足要求。

3 漏熱損失分析

3.1 傳導(dǎo)漏熱

整體底板固定在溫度不高于40 ℃的安裝平臺(tái)上，斯特林制冷機(jī)冷頭溫度為77 K(-196.16 ℃)。傳導(dǎo)漏熱主要由4根環(huán)氧層壓玻璃布棒和射頻引線造成。

首先對(duì)零件添加材料屬性：底板為鋁板，杜瓦為不銹鋼，支撐桿為環(huán)氧層壓玻璃布棒，支板為不銹鋼，濾波器放大器腔體為鋁合金，導(dǎo)熱帶為無氧銅。模型劃分網(wǎng)格后如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格模型

施加熱載荷，通過后處理得到計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從溫度分布云圖可見環(huán)氧玻璃布棒上溫度梯度很大，因此環(huán)氧玻璃布棒的傳導(dǎo)漏熱作用顯著。計(jì)算得到總傳導(dǎo)漏熱為0.143 47 W，如圖9所示。

圖8 溫度分布云圖

圖9 傳導(dǎo)漏熱計(jì)算結(jié)果

3.2 輻射漏熱

濾波器放大器腔體表面法向發(fā)射率ε取0.03，支板、導(dǎo)熱帶ε分別取0.06、0.03。腔體、支板及導(dǎo)熱帶對(duì)于杜瓦筒內(nèi)壁的輻射換熱角系數(shù)認(rèn)定為1[3]。添加熱載荷后計(jì)算結(jié)果：腔體輻射漏熱0.098 3 W(圖10)，支板輻射漏熱0.071 1 W(圖11)，導(dǎo)熱帶(冷板)輻射漏熱0.040 9 W(圖12)。

圖10 腔體輻射漏熱

圖11 支板輻射漏熱

傳導(dǎo)總漏熱為0.143 47 W，輻射總漏熱為0.098 3+0.071 1+0.040 9=0.210 3 W，漏熱總損失0.353 77 W。從計(jì)算結(jié)果可以看出，漏熱損失完全滿足要求。

圖12 導(dǎo)熱帶輻射漏熱

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種高溫高靈敏度超導(dǎo)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首次采用分子擴(kuò)散焊技術(shù)用銅箔大電流加熱壓制而成異種形狀的柔性導(dǎo)熱冷板，可緩沖和吸收較大的沖擊力和振動(dòng)，從而有效地保證斯特林制冷機(jī)和超導(dǎo)接收前端正常工作。采用環(huán)氧層壓玻璃布棒制成的支撐桿可大大減小傳導(dǎo)漏熱損失。4根支撐桿成對(duì)角兩頂兩壓來固定濾波放大器件，支撐桿下端做成螺紋來調(diào)節(jié)柔性冷板的高度。整體結(jié)構(gòu)簡單可靠。應(yīng)用Pro/E建立三維模型，用ANSYS對(duì)其進(jìn)行力學(xué)和熱學(xué)分析并結(jié)合理論計(jì)算驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可作為其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考。

[1] 周廉, 甘子釗. 中國高溫超導(dǎo)材料及戰(zhàn)略研究[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007: 131-136.

[2] 方昆凡. 工程材料手冊(cè)：非金屬材料卷[M]. 北京: 北京出版社, 2000.

[3] 陶文銓, 楊世銘. 傳熱學(xué)[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 1998: 253-274.

[4] BIAN Y B, GUO J, GAO C Z, et al. A miniaturized HTS microwave receiver front-end subsystem for radar and communication applications[J]. Physica C: Superconductivity and its Applications, 2010, 470(15-16): 617-621.

劉海建(1984-)，男，碩士研究生，主要從事電子機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。

Structure Design and Simulation of a High Sensitive Superconducting Receiving Frontend

LIU Hai-jian，CHEN Yu-peng，ZUO Tao，SHANG Cheng-wei

(The16thResearchInstituteofCETC，Hefei230043,China)

The superconducting receiving frontend used in space must undergo thermal vacuum and environmental adaptability test such as vibration, shock, and so on. Reliable integrated design is required to control the deformation of refrigerator head. Reliable structural design is most important. This paper introduces a structural design scheme about the miniaturization, low heat leakage and high reliability of a high sensitive superconducting receiving frontend used in space. The frontend employs split Stirling cryocooler (2.8 W @ 77 K) made by ourselves. The aluminum plate base designed by special structure effectively transfers the heat generated by refrigerator to installation platform, satisfying the thermal vacuum requirement. The flexible heat conducting band with irregular shape made by cold welding greatly reduces the deformation of the refrigerator head caused by stress and impact. The heat insulating support structure connects superconducting filter and devices such as cryogenic amplifier, not only satisfying the mechanical strength requirement but also effectively reducing the heat leakage. Key parts are tested, and the whole machine is simulated using Pro/E and ANSYS, verifying that the design is feasible.

superconducting receiving; structure design; modeling and simulation

2013-07-02

TH122

A

1008-5300(2013)04-0018-04