不同材料管壳对螺旋线慢波系统性能的影响

　　利用实验测评和模拟分析的方法研究了螺旋线慢波系统中采用不同材料的管壳对其性能的影响。主要分析了蒙乃尔管壳、铜管壳和蒙乃尔内嵌铜管壳的应用,对螺旋线慢波系统的散热性能和高频特性的影响。研究表明,在蒙乃尔管壳内部嵌铜,即可以保证管壳的机械强度,又可以改善慢波系统的散热性能,并在低频段降低高频损耗。

　　螺旋线行波管是一种具有宽频带的微波管,它被应用于通信系统、雷达系统和电子对抗系统等众多的场合。螺旋线慢波系统是螺旋线行波管中能量交换的关键部件,其性能的优劣直接影响着整管的特性 。螺旋线慢波系统是螺旋线行波管的重要组成部分,它主要由金属螺旋线、陶瓷夹持杆和金属管壳组成,在较宽的频率范围内具有平坦的色散特性和较高的注- 波互作用效率。螺旋线慢波系统的散热性能和高频特性是直接影响行波管正常工作的重要因素。

　　金属管壳的选择需要考虑材料是否具有足够的机械强度、无磁性、良好的热传导性和高温强度。通常选用蒙乃尔、无氧铜、不锈钢等材料来制作管壳。现在许多行波管的管壳都使用蒙乃尔。蒙乃尔是以镍为主的镍铜合金,它具有高强度、良好的延展性、可焊性和优良的耐蚀能力,高温时有比不锈钢好的强度。铜材料具有很好的导电和导热能力,可是其机械强度不高,容易引起管壳变形。将一定厚度的铜内壳嵌在蒙乃尔管壳的内部,可以互补蒙乃尔与铜的优缺点,并对慢波系统的性能进行改善。

1、不同材料管壳的制备

　　采用不同管壳与采用嵌内壳管壳的螺旋线慢波系统的结构如图1 中所示。

图1 　不同管壳的结构示意图　　图2 　不同材料管壳的实物图

　　研究中制备了三种不同材料的管壳:纯蒙乃尔管壳、纯铜管壳和蒙乃尔内部嵌铜管壳。其中,蒙乃尔内嵌铜管壳的制备方法如下:首先在铜内壳的外表面电镀8μm 的银膜,并将其滑配装入蒙乃尔管壳内部,然后将两部分焊接在一起。内壳的厚度与外壳相近,两个壳的总厚度为普通管壳的厚度。采用内嵌管壳,既可以利用蒙乃尔的高机械强度,又可以兼顾铜的高导热和高导电性能。不同管壳的实物图如下:

　　下面利用计算机软件模拟和实验测评,分别研究这三种不同管壳的散热性能、色散特性、耦合阻抗和衰减常数。管壳材料的部分属性如表1 中所示:

表1 　管壳材料的部分属性

2、散热性能

　　螺旋线慢波结构的散热特性不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素,也是直接影响着行波管工作的稳定性与可靠性的重要因素。实验中制备了三个相同结构和尺寸的Ku 波段的螺旋线慢波组件,均由钼螺旋线和氧化铍夹持杆组成,采用了热挤压的装配方法。

　　采用实验测评的方法进行慢波结构散热性能的研究。利用金属材料的电阻随温度的变化关系建立散热性能的评价体系。在真空条件下,对慢波结构的螺旋线两端加直流电压,给螺旋线提供逐渐增加的功率,使螺旋线温度升高,记录加入不同功率时螺旋线的温度。当加入相同功率时,螺旋线上的温度越低,说明慢波结构的散热性能越好,反之亦然。该研究方法的可行性和准确性已经在以往的文章中中给予详细的验证。

　　为保证慢波组件外具有相同的散热条件,在三个组件的管壳外增加相同材料和结构的模具。进行实验研究,得到图3 所示的结果:

图3 　慢波系统散热性能的实验比较图　　图4 　慢波系统散热性能的模拟比较图

　　由图3 可以看出,纯蒙乃尔管壳组件的散热能力最差,铜材料表现出了较高的导热能力。不过,由于铜材料的机械强度较弱,所以在制备管壳和进行组件加工时,纯铜管壳容易产生变形。而蒙乃尔内嵌铜管壳既保持了蒙乃尔材料的高机械强度,又兼顾了铜材料的高导热性能。如图3 中所示,内嵌铜管壳与纯铜管壳对慢波组件导热能力的影响相近,两个组件均表现出较好的散热性能。

　　利用ANSYS 仿真软件按照图1 所示的慢波系统建立仿真模型,根据实验条件设定热负载和材料属性。分析比较采用三种不同管壳时,慢波系统的散热性能的变化情况,模拟研究的结果如图4 中所示。

　　由图4 中可以看出,采用纯铜管壳与内嵌铜管壳的慢波系统的散热性能相似,而采用纯蒙乃尔管壳的慢波系统的散热性能较差。模拟结果与实验结果具有很好的一致性。

　　不同材料管壳的使用对慢波系统的散热性能具有一定的影响。研究表面,蒙乃尔管壳的导热能力较差,采用蒙乃尔内嵌铜管壳可以在一定程度上改善慢波系统的散热性能。

3、高频特性

　　慢波结构的高频特性主要是指色散特性、耦合阻抗和衰减常数。色散特性体现了不同频率的电磁波沿慢波结构传播速度的差别;耦合阻抗反映了注- 波互作用的强弱,它将直接影响到整管的输出功率和效率;衰减常数主要描述了电磁波在传播过程中能量的损耗,这个损耗包括慢波结构中金属材料的表面电流损耗和非金属材料的介质损耗。利用仿真软件CSTMWS 对慢波结构的高频特性进行研究。使用CSTMWS 进行慢波结构的研究,可以得到与实验测试相当一致的结果,并可以分析各个组件上的损耗,在真空技术网以往的文章中中给出了多方面的验证。

　　对由纯蒙乃尔、纯铜和蒙乃尔内嵌铜管壳组成的Ku 波段的螺旋线慢波系统进行研究。在不改变管壳的结构和尺寸的情况下,金属管壳材料的变化不会影响慢波系统的色散特性和耦合阻抗。同样,在不改变管壳厚度的情况下,改变内嵌铜壳的厚度,对慢波系统的色散特性和耦合阻抗也不会产生作用。

　　纯铜管壳与内嵌铜管壳的内部均为铜材料,而管壳上的高频损耗主要是产生在其内部,所以这两种管壳产生的高频损耗基本相同。所以,在对不同管壳的高频损耗的比较研究时,主要分析采用纯蒙乃尔管壳和采用嵌铜管壳两种。研究的结果如图5所示:

图5 　慢波结构的衰减常数的比较图　　图6 　管壳上的衰减常数比较图

　　图5 给出了不同材料的管壳对整个慢波系统的高频损耗的影响。在低频段采用了嵌铜管壳的慢波结构的高频损耗略微的降低,而在高频段几乎没有变化。管壳内部的铜内壳具有较强的导电能力,与普通的Monel 管壳相比,采用嵌铜管壳的,可以有效地降低管壳上的高频损耗,如图6 所示:

　　由图6 可以看出,采用嵌铜管壳可以有效地降低管壳上的高频损耗。在低频段两条曲线的差别较大,随着频率的增加差别越来越小。由于管壳上的高频损耗在整个组件的损耗中所占的比重较小,所以管壳上损耗的变化对整个组件的影响比较微弱。改变嵌入的内壳的厚度不会对慢波结构的衰减常数产生明显的影响。

　　由以上的研究可知,采用不同材料的管壳对慢波系统的高频损耗的影响比较小。采用具有高导电能力的金属内壳可以在一定程度上降低慢波组件的高频损耗,其改善作用在低频段更为明显。

4、结论

　　采用不同材料管壳,对螺旋线慢波系统的散热性能和高频特性会产生一定的影响。采用纯铜管壳和蒙乃尔内嵌铜管壳的慢波系统具有较强的散热性能,而采用纯蒙乃尔管壳的慢波系统的导热能力较弱。采用不同材料管壳对慢波系统的色散特性、耦合阻抗和高频损耗的影响比较微弱。研究表明,在蒙乃尔管壳的内部嵌铜内壳,可以利用铜的高导热能力,从而提高慢波组件的散热性能,还兼顾了蒙乃尔管壳的高机械强度,保证管壳不易变形;铜内壳的增加,基本不会改变慢波组件的色散特性和耦合阻抗,又由于铜内壳的高导电能力,会使高频损耗在低频段略微下降。根据行波管的制管要求,选用不同材料的管壳,可以对慢波系统的性能进行适当的调节。