不同材料管殼對(duì)螺旋線慢波系統(tǒng)性能的影響
利用實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)和模擬分析的方法研究了螺旋線慢波系統(tǒng)中采用不同材料的管殼對(duì)其性能的影響。主要分析了蒙乃爾管殼、銅管殼和蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼的應(yīng)用,對(duì)螺旋線慢波系統(tǒng)的散熱性能和高頻特性的影響。研究表明,在蒙乃爾管殼內(nèi)部嵌銅,即可以保證管殼的機(jī)械強(qiáng)度,又可以改善慢波系統(tǒng)的散熱性能,并在低頻段降低高頻損耗。
螺旋線行波管是一種具有寬頻帶的微波管,它被應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)等眾多的場(chǎng)合。螺旋線慢波系統(tǒng)是螺旋線行波管中能量交換的關(guān)鍵部件,其性能的優(yōu)劣直接影響著整管的特性 。螺旋線慢波系統(tǒng)是螺旋線行波管的重要組成部分,它主要由金屬螺旋線、陶瓷夾持桿和金屬管殼組成,在較寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的色散特性和較高的注- 波互作用效率。螺旋線慢波系統(tǒng)的散熱性能和高頻特性是直接影響行波管正常工作的重要因素。
金屬管殼的選擇需要考慮材料是否具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、無磁性、良好的熱傳導(dǎo)性和高溫強(qiáng)度。通常選用蒙乃爾、無氧銅、不銹鋼等材料來制作管殼�，F(xiàn)在許多行波管的管殼都使用蒙乃爾。蒙乃爾是以鎳為主的鎳銅合金,它具有高強(qiáng)度、良好的延展性、可焊性和優(yōu)良的耐蝕能力,高溫時(shí)有比不銹鋼好的強(qiáng)度。銅材料具有很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力,可是其機(jī)械強(qiáng)度不高,容易引起管殼變形。將一定厚度的銅內(nèi)殼嵌在蒙乃爾管殼的內(nèi)部,可以互補(bǔ)蒙乃爾與銅的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)慢波系統(tǒng)的性能進(jìn)行改善。
1、不同材料管殼的制備
采用不同管殼與采用嵌內(nèi)殼管殼的螺旋線慢波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 中所示。
圖1 不同管殼的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 不同材料管殼的實(shí)物圖
研究中制備了三種不同材料的管殼:純蒙乃爾管殼、純銅管殼和蒙乃爾內(nèi)部嵌銅管殼。其中,蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼的制備方法如下:首先在銅內(nèi)殼的外表面電鍍8μm 的銀膜,并將其滑配裝入蒙乃爾管殼內(nèi)部,然后將兩部分焊接在一起。內(nèi)殼的厚度與外殼相近,兩個(gè)殼的總厚度為普通管殼的厚度。采用內(nèi)嵌管殼,既可以利用蒙乃爾的高機(jī)械強(qiáng)度,又可以兼顧銅的高導(dǎo)熱和高導(dǎo)電性能。不同管殼的實(shí)物圖如下:
下面利用計(jì)算機(jī)軟件模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng),分別研究這三種不同管殼的散熱性能、色散特性、耦合阻抗和衰減常數(shù)。管殼材料的部分屬性如表1 中所示:
表1 管殼材料的部分屬性
2、散熱性能
螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的散熱特性不僅是決定行波管平均輸出功率的主要因素,也是直接影響著行波管工作的穩(wěn)定性與可靠性的重要因素。實(shí)驗(yàn)中制備了三個(gè)相同結(jié)構(gòu)和尺寸的Ku 波段的螺旋線慢波組件,均由鉬螺旋線和氧化鈹夾持桿組成,采用了熱擠壓的裝配方法。
采用實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)的方法進(jìn)行慢波結(jié)構(gòu)散熱性能的研究。利用金屬材料的電阻隨溫度的變化關(guān)系建立散熱性能的評(píng)價(jià)體系。在真空條件下,對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的螺旋線兩端加直流電壓,給螺旋線提供逐漸增加的功率,使螺旋線溫度升高,記錄加入不同功率時(shí)螺旋線的溫度。當(dāng)加入相同功率時(shí),螺旋線上的溫度越低,說明慢波結(jié)構(gòu)的散熱性能越好,反之亦然。該研究方法的可行性和準(zhǔn)確性已經(jīng)在以往的文章中中給予詳細(xì)的驗(yàn)證。
為保證慢波組件外具有相同的散熱條件,在三個(gè)組件的管殼外增加相同材料和結(jié)構(gòu)的模具。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到圖3 所示的結(jié)果:
圖3 慢波系統(tǒng)散熱性能的實(shí)驗(yàn)比較圖 圖4 慢波系統(tǒng)散熱性能的模擬比較圖
由圖3 可以看出,純蒙乃爾管殼組件的散熱能力最差,銅材料表現(xiàn)出了較高的導(dǎo)熱能力。不過,由于銅材料的機(jī)械強(qiáng)度較弱,所以在制備管殼和進(jìn)行組件加工時(shí),純銅管殼容易產(chǎn)生變形。而蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼既保持了蒙乃爾材料的高機(jī)械強(qiáng)度,又兼顧了銅材料的高導(dǎo)熱性能。如圖3 中所示,內(nèi)嵌銅管殼與純銅管殼對(duì)慢波組件導(dǎo)熱能力的影響相近,兩個(gè)組件均表現(xiàn)出較好的散熱性能。
利用ANSYS 仿真軟件按照?qǐng)D1 所示的慢波系統(tǒng)建立仿真模型,根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定熱負(fù)載和材料屬性。分析比較采用三種不同管殼時(shí),慢波系統(tǒng)的散熱性能的變化情況,模擬研究的結(jié)果如圖4 中所示。
由圖4 中可以看出,采用純銅管殼與內(nèi)嵌銅管殼的慢波系統(tǒng)的散熱性能相似,而采用純蒙乃爾管殼的慢波系統(tǒng)的散熱性能較差。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。
不同材料管殼的使用對(duì)慢波系統(tǒng)的散熱性能具有一定的影響。研究表面,蒙乃爾管殼的導(dǎo)熱能力較差,采用蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼可以在一定程度上改善慢波系統(tǒng)的散熱性能。
3、高頻特性
慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性主要是指色散特性、耦合阻抗和衰減常數(shù)。色散特性體現(xiàn)了不同頻率的電磁波沿慢波結(jié)構(gòu)傳播速度的差別;耦合阻抗反映了注- 波互作用的強(qiáng)弱,它將直接影響到整管的輸出功率和效率;衰減常數(shù)主要描述了電磁波在傳播過程中能量的損耗,這個(gè)損耗包括慢波結(jié)構(gòu)中金屬材料的表面電流損耗和非金屬材料的介質(zhì)損耗。利用仿真軟件CSTMWS 對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行研究。使用CSTMWS 進(jìn)行慢波結(jié)構(gòu)的研究,可以得到與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相當(dāng)一致的結(jié)果,并可以分析各個(gè)組件上的損耗,在真空技術(shù)網(wǎng)以往的文章中中給出了多方面的驗(yàn)證。
對(duì)由純蒙乃爾、純銅和蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼組成的Ku 波段的螺旋線慢波系統(tǒng)進(jìn)行研究。在不改變管殼的結(jié)構(gòu)和尺寸的情況下,金屬管殼材料的變化不會(huì)影響慢波系統(tǒng)的色散特性和耦合阻抗。同樣,在不改變管殼厚度的情況下,改變內(nèi)嵌銅殼的厚度,對(duì)慢波系統(tǒng)的色散特性和耦合阻抗也不會(huì)產(chǎn)生作用。
純銅管殼與內(nèi)嵌銅管殼的內(nèi)部均為銅材料,而管殼上的高頻損耗主要是產(chǎn)生在其內(nèi)部,所以這兩種管殼產(chǎn)生的高頻損耗基本相同。所以,在對(duì)不同管殼的高頻損耗的比較研究時(shí),主要分析采用純蒙乃爾管殼和采用嵌銅管殼兩種。研究的結(jié)果如圖5所示:
圖5 慢波結(jié)構(gòu)的衰減常數(shù)的比較圖 圖6 管殼上的衰減常數(shù)比較圖
圖5 給出了不同材料的管殼對(duì)整個(gè)慢波系統(tǒng)的高頻損耗的影響。在低頻段采用了嵌銅管殼的慢波結(jié)構(gòu)的高頻損耗略微的降低,而在高頻段幾乎沒有變化。管殼內(nèi)部的銅內(nèi)殼具有較強(qiáng)的導(dǎo)電能力,與普通的Monel 管殼相比,采用嵌銅管殼的,可以有效地降低管殼上的高頻損耗,如圖6 所示:
由圖6 可以看出,采用嵌銅管殼可以有效地降低管殼上的高頻損耗。在低頻段兩條曲線的差別較大,隨著頻率的增加差別越來越小。由于管殼上的高頻損耗在整個(gè)組件的損耗中所占的比重較小,所以管殼上損耗的變化對(duì)整個(gè)組件的影響比較微弱。改變嵌入的內(nèi)殼的厚度不會(huì)對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的衰減常數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。
由以上的研究可知,采用不同材料的管殼對(duì)慢波系統(tǒng)的高頻損耗的影響比較小。采用具有高導(dǎo)電能力的金屬內(nèi)殼可以在一定程度上降低慢波組件的高頻損耗,其改善作用在低頻段更為明顯。
4、結(jié)論
采用不同材料管殼,對(duì)螺旋線慢波系統(tǒng)的散熱性能和高頻特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。采用純銅管殼和蒙乃爾內(nèi)嵌銅管殼的慢波系統(tǒng)具有較強(qiáng)的散熱性能,而采用純蒙乃爾管殼的慢波系統(tǒng)的導(dǎo)熱能力較弱。采用不同材料管殼對(duì)慢波系統(tǒng)的色散特性、耦合阻抗和高頻損耗的影響比較微弱。研究表明,在蒙乃爾管殼的內(nèi)部嵌銅內(nèi)殼,可以利用銅的高導(dǎo)熱能力,從而提高慢波組件的散熱性能,還兼顧了蒙乃爾管殼的高機(jī)械強(qiáng)度,保證管殼不易變形;銅內(nèi)殼的增加,基本不會(huì)改變慢波組件的色散特性和耦合阻抗,又由于銅內(nèi)殼的高導(dǎo)電能力,會(huì)使高頻損耗在低頻段略微下降。根據(jù)行波管的制管要求,選用不同材料的管殼,可以對(duì)慢波系統(tǒng)的性能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。
