降低空間行波管熱子功率的仿真研究
本文用Ansys熱分析技術(shù)研究了某一空間行波管電子槍的陰極熱屏組件中影響熱子功率的諸多因素，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并用Abaqus力學(xué)分析技術(shù)對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗力學(xué)環(huán)境能力分析。在未改變陰極面尺寸、陰極面溫度以及可直接安裝到原組件位置的前提下，新結(jié)構(gòu)可將熱子功率從4.4W 降低到2.5W，預(yù)熱時(shí)間和抗力學(xué)環(huán)境能力亦可滿足要求。
效率是空間行波管的一個(gè)重要參數(shù)，也是空間行波管不同于普通行波管的主要特征，獲得高效率一直是空間行波管的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。管子的效率為輸出功率與總功耗之比，總功耗為輸出功率與熱功耗之和，因此降低熱功耗是提升空間行波管效率的一條主要技術(shù)途徑。
空間行波管的熱功耗主要由收集極、管體、輸能系統(tǒng)和熱子所產(chǎn)生的熱耗組成。降低熱功耗傳統(tǒng)上從降低收集極熱耗、管體熱耗和輸能系統(tǒng)熱耗入手，由于熱子功率一般只有幾瓦，對(duì)效率影響不大而往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)師不重視對(duì)其降低措施的研究。但是，當(dāng)面對(duì)50W 級(jí)中功率管子的效率需要達(dá)到60%時(shí)或者15W 級(jí)小功率管子的效率提升至50%以上時(shí)，熱子功率的降低對(duì)效率的提升變得比較關(guān)鍵。對(duì)于前者，原傳統(tǒng)措施往往已經(jīng)深度挖掘，即使提升效率的一個(gè)百分點(diǎn)也將變得極其困難，但此時(shí)降低1W 的熱子功率就能提高0.7%(按50 W 輸出功率、60%效率計(jì)算)的效率;對(duì)于后者，降低1W 熱子功率則能提高1.7%(按15W 輸出功率、50%效率計(jì)算)的效率。因此，對(duì)于60%以上高效率的中功率空間行波管和15W 以下的小功率空間行波管而言，降低熱子功率是必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。
對(duì)于特定負(fù)荷的熱陰極而言，陰極表面的工作溫度是一定的，熱子功率取決于陰極熱屏組件的熱屏蔽能力。目前國(guó)內(nèi)空間行波管水平尚處于初級(jí)階段，陰極熱屏組件一般直接借用了普通行波管的，熱子功率明顯偏高;反觀國(guó)外的空間行波管，其熱子功率一般為2.5W 和4W 的標(biāo)準(zhǔn)值，兩者的對(duì)比見表1，水平差距非常明顯。因此降低熱子功率也是國(guó)內(nèi)空間行波管進(jìn)一步發(fā)展所必須要解決的問題。此外，降低熱子功率一般還會(huì)帶來一些附加好處，熱子溫度的降低減緩了熱子的電蝕速度和減輕了熱子組件的內(nèi)部熱應(yīng)力，提高了熱子的通斷壽命和使用壽命，對(duì)空間行波管而言，這些與熱子直接相關(guān)的可靠性指標(biāo)也是非常重要的。
表1 國(guó)內(nèi)外空間行波管熱子功率典型水平對(duì)比
1、研究?jī)?nèi)容
首先對(duì)某已進(jìn)行陰極溫度實(shí)驗(yàn)的空間行波管電子槍建立Ansys熱模型，仿真不同熱子功率加載下的穩(wěn)態(tài)熱分布，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，由此可驗(yàn)證熱模型及其參數(shù)設(shè)置的正確性;以該熱模型及建模參數(shù)為基礎(chǔ)，仿真陰極熱屏組件主要零件尺寸及形狀的變化對(duì)陰極表面溫度的影響，找出降低熱子功率的有效措施，并對(duì)這些措施進(jìn)行綜合分析和折中選擇，進(jìn)而完成陰極熱屏組件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。這個(gè)改進(jìn)過程的前提是：
�、俨桓淖冴帢O面物理尺寸和表面溫度;
�、诩庸ず椭圃旃に�、預(yù)熱時(shí)間以及抗力學(xué)環(huán)境能力滿足要求;
�、鄹倪M(jìn)結(jié)構(gòu)可以直接安裝到原結(jié)構(gòu)位置上。
為了保證結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不會(huì)影響陰極熱屏組件的抗力學(xué)環(huán)境能力，還需要建立改進(jìn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型并進(jìn)行模態(tài)、應(yīng)力和位移的仿真計(jì)算，證明改進(jìn)結(jié)構(gòu)符合抗力學(xué)環(huán)境要求。
上述改進(jìn)過程具有普遍意義，實(shí)際給出了從普通行波管陰極熱屏組件技術(shù)向空間行波管陰極熱屏組件技術(shù)跨越的完整解決途徑。
5、結(jié)論
本文利用Ansys熱仿真和Abaqus力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)某空間行波管的電子槍陰極熱屏組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在未改變陰極面物理尺寸和表面溫度、加工和制造工藝允許、預(yù)熱時(shí)間和抗力學(xué)環(huán)境能力滿足要求、以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)可直接安裝替換的前提下，綜合采取提高熱屏能力的措施，將熱子功率從4.4W 降到2.5W，節(jié)約功耗1.9W，直接將原管子的效率提高了1%以上，陰極熱屏組件的水平基本達(dá)到了國(guó)外空間行波管的水平。
由于加工周期的關(guān)系，本文成文時(shí)改進(jìn)陰極熱屏組件的溫度實(shí)驗(yàn)還未進(jìn)行，因此最終的改進(jìn)效果還有待于驗(yàn)證。但從原結(jié)構(gòu)仿真與原結(jié)構(gòu)溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的符合程度看，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是可信的。
