一种波导焊接同轴窗的结构工艺可靠性优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)张彦成 作者:张彦成

  本文介绍了一种波导转同轴窗结构工艺,该结构具有良好的抗热冲击、抗外力冲击特性,特别适用于需多次高温钎焊的耦合腔型行波管,该结构已推广应用于多个行波管管型,均获得了较好的使用效果。

  在微波管中,耦合腔行波管是一类重要的管型,广泛应用于雷达和通信等军事电子装备。耦合腔行波管的高频互作用部分采用全金属慢波结构,慢波系统不用介质材料绝缘支撑,因而,其散热能力很好,可以获得比螺旋线行波管高出一个数量级以上的平均功率;耦合腔行波管不像螺旋线行波管那样有最高工作电压限制,因此,耦合腔行波管可以获得远高于螺旋线行波管的峰值功率。耦合腔行波管高峰值功率、大平均功率的特点使其在很多场合都是优选管型。

  小型化一直是军用电子装备发展的一个重要方向,这就需要作为雷达核心器件的行波管尺寸越来越小、重量越来越轻。传统的耦合腔行波管输入输出接口一般均采用波导盒型窗方式。在整机上使用时,行波管的输入端先连接一个波导同轴转换器再与前级放大器连接,这就导致行波管的输入系统占用了整机很大的空间,不利于整机的小型化。作为行波管输入窗,一般功率量级较小,采用同轴窗输入完全能满足使用要求,而且跟波导盒型窗相比,同轴窗不仅尺寸结构小而且频带更宽、更容易获得良好的匹配特性。本文详述了一种铜波导焊接同轴窗的研制过程及结果。

1、问题提出

  在研制之初,为提高设计可靠性,直接参考螺旋线同轴窗结构,这种结构已在螺旋线型行波管中广泛使用,是经过严格环境试验和用户长期使用验证合格的结构,具有较好的可靠性,结构如图1所示。这种结构的特点是:同轴窗的内导体采用针封方式,外导体采用外套封方式;窗针选用柔韧性较好的纯镍材料,可通过材料的屈服效应减轻使用时外力对针封面的损伤。于是设计了与波导焊接的同轴窗,原始结构如图2所示。在课题研制过程中,这种针封同轴窗组件本身的封接成品率很高,但在使用到整管上时频繁出现漏气现象,导致高频部件的大批量报废,更为严重的是输入窗的漏气问题直接影响了项目进度。

2、结构优化

  从分析新管型与成熟管型结构工艺中的差异着手,查找可能导致同轴窗漏气的原因。首先,在结构方面,在螺旋线行波管中同轴窗的封接外筒与薄壁长筒形的三通相连,而在耦合腔行波管中同轴窗的封接外筒与矩形波导的宽边相连,两者在焊接应力方面可能存在较大差异;其次,在工艺方面,耦合腔行波管与螺旋线行波管相比,其高频部件的工艺特点是钎焊次数多,而且同轴窗需在高频调试的第一步就钎焊到波导上,这就意味着同轴窗将跟随高频部件多次反复进氢炉焊接直至形成完整部件;最后,在使用方面,耦合腔行波管的高频部件冷测调试步骤比螺旋线行波管复杂很多,在冷测调试过程中需对同轴窗进行多次拆卸,也就是说同轴窗需反复经受外力考验。

螺旋线同轴窗结构

图1 螺旋线同轴窗结构

与波导焊接的同轴窗原始结构示意

图2 与波导焊接的同轴窗原始结构示意

  根据上述分析,并结合热力学仿真,对同轴窗的结构进行了优化。优化后的结构如图3所示。这种结构的特点是:窗针选用与瓷片热膨胀系数更为接近的材料;在匹配特性许可的前提下,在窗针与窗片封接处增加一个凸台,大幅度加大了窗针与窗片的封接面积;缩短窗针的长度,通过外部插件的协同设计来实现内导体的连接;减小波导壁的厚度,降低外部结构应力。

与波导焊接的同轴窗优化结构示意图

图3 与波导焊接的同轴窗优化结构示意图

  2.1、热分析

  首先利用ANSYS软件对图1所示螺旋线同轴窗结构和图2所示与波导焊接的同轴窗原始结构的焊接热应力进行了计算机仿真计算,然后以此为参考进行了结构优化。在计算时,将焊料熔化温度时的零件状态设为初始状态并将焊接面固定,考查组件降至常温时窗片上的热应力大小。图4(a)是螺旋线同轴窗结构,窗片上的热应力分布情况,图4(b)是与波导焊接的同轴窗原始结构,窗片上的热应力分布情况,图4(c)是与波导焊接的同轴窗优化结构后,窗片上的热应力分布情况。仿真结果表明,结构优化后的热应力下降约80%。

窗片上的热应力分布

图4 窗片上的热应力分布

  2.2、结构静力分析

  同轴窗在使用过程中须与外部插件多次拆装。当窗针与外部接插件同轴度不好时,旋转外部接插件等于不断对窗针施以外力,需要通过结构优化来降低窗针与窗片间的拉应力。

  这里同样使用了ANSYS软件。计算模型如图5(a)所示,在仿真时,对窗针加载固定大小的外力,考查窗片表面的拉应力大小。图5(b)和图5(c)分别是优化前原始结构和优化结构后窗片表面拉应力分布图,计算结果表明,优化后窗片上的拉应力下降了约60%。

  2.3、实验验证

  经结构优化后,钎焊封接了4个同轴窗,气密性检查全部合格。人为将外部接插件同心度变差,反复安装多次后复检均无漏气现象。将上述4个同轴窗置于氢炉中加热至800℃后复检无漏气现象,并将此高温烘烤试验重复5次后复检仍无漏气现象。这一系列的试验充分证明优化后的同轴窗完全能满足使用要求。

计算模型以及优化前后窗片表面拉应力分布

图5 计算模型以及优化前后窗片表面拉应力分布

3、结论

  本文通过热力学分析完成了一种焊接于波导上的针封同轴窗结构的优化,通过实验验证该结构具有良好的抗热冲击、抗外力冲击特性,特别适用于需多次高温钎焊的耦合腔型行波管,该结构已推广应用于X波段、Ku波段的多个行波管管型,均获得了较好的使用效果。

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