螺旋线行波管中慢波系统散热性能的研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所中国科学院高功率微波源与技术 作者:韩勇

  研究慢波系统的散热性能对改善螺旋线行波管的各项特性具有十分重要的意义。综合叙述了在慢波系统的散热性能影响因素和改进手段方面的研究结果。介绍了新型装配方法和金刚石材料在慢波系统制备中的应用, 对各种方法的效果进行了分析比较, 并指出新方法和新材料的采用有效的提高了散热性能, 促进了更高性能的行波管的研制。

  行波管是一种具有宽频带的微波管, 它被应用于卫星通信系统、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。慢波系统散热性能不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素, 也是直接影响行波管工作稳定性与可靠性的重要因素 。随着行波管性能的提升, 慢波系统上的热负荷也逐渐增加, 散热问题的解决显得更为重要。当螺旋线行波管工作时, 螺旋线由于高频损耗和电子轰击而受热升温, 热量通过夹持杆传导到管壳, 最后由管壳向外散出。慢波组件中材料的导热能力和接触处的接触热阻是影响慢波系统散热性能的两个主要因素。为了改善螺旋线行波管的性能, 需要对慢波系统的散热问题进行深入和细致的理论分析和实验研究, 重点考察各种因素的不同作用, 然后适当的采
用新型材料和发展新型装配方法。目前, 对慢波系统的散热性能已经进行了广泛的研究, 得出了很多重要的结论, 许多新材料、新工艺和新技术也不断的应用到了高性能螺旋线行波管的制备之中。

1、散热性能影响因素的研究

1.1、组件材料的影响

  螺旋线行波管的慢波结构是由螺旋线、夹持杆和金属管壳组成, 如图1 所示。这几部分材料的选择会影响组件的散热性能, 从而对整管的电性能产生一定的作用。夹持杆是螺旋线上的热量向外传递的主要导热路径, 其材料的变化会对整个慢波系统产生重要的影响。常用作夹持杆的材料为氧化铝、氧化铍、氮化硼、氮化铝等。研究表明, 在提供一定耗散功率的情况下, 采用不同材料夹持杆的慢波组件在散热能力上具有比较明显的差异。BeO 作为目前普遍采用的夹持杆材料, 给慢波组件带来了较好的散热性能; 相比之下, AlN 与BeO 差不多, 又由于BeO 的热导率随温度的变化下降很快, 所以在高温段AlN 显出略微的优势。BN 也是常用的材料, 其耗散功率比BeO 杆减少约30%, 这也表明了其散热能力与BeO 杆的差距。采用Al2O3 的介质杆, 组件的导热能力最差。研究中对性能优越的金刚石材料进行了预测, 将其制作为夹持杆进行散热研究, 与BeO 杆的组件比较, 当螺旋线达到相同的温度时, 组件耗散的功率增加了约50% , 该结论为金刚石在提高慢波系统散热方面的应用提供了一定的理论基础。

  在慢波系统中, 热量主要产生于螺旋线, 其材料通常选用熔点高、机械强度好的钼丝、钨丝和铼钨丝等, 其中钼丝在行波管上的应用十分普遍。另外, 铜丝具有很好的导热能力, 不过其机械强度不高, 装入组件时容易变形, 所以在实际应用中很少采用。钼丝和钨丝的采用对慢波系统散热性能的影响不明显。现在许多研究机构对钼或钨的螺旋线表面镀铜或镀金, 以改善慢波结构的高频损耗特性。研究表明不论是镀铜膜还是镀金膜, 或是其他新型的材料,镀膜层的高热导率以及低的表面粗糙程度可以提高螺旋线上热量的散出, 降低螺旋线与夹持杆接触处的接触热阻, 进而使螺旋线上热量更多更快地传导出去。

  螺旋线上的热量最终传递到管壳, 由管壳向外散出。管壳的外面与聚焦系统或其他散热系统相连接, 其材料需要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、弥散强化无氧铜、锆铜、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。管壳向外界的导热方式会对慢波系统的散热性能产生重要的影响。当管壳外为聚焦系统时, 以热传导的方式将来自夹持杆的热量传导出去, 高热导率的管壳材料可以为慢波系统带来更好的散热效果。在蒙乃尔管壳的内部嵌高导电和高导热能力的金属材料, 如铜, 可以有效的提高慢波组件的散热能力, 并保证金属管壳的高机械强度。

4、结论

  螺旋线慢波系统的散热性能对行波管的整管特性具有重要影响。全面清晰的分析比较不同材料和不同结构的慢波组件对散热性能的影响, 为新型改善方法的提出奠定了基础。接触热阻是影响慢波系统热量传导的主要因素, 它由接触处材料和接触压力共同决定, 采用新型材料和新型的装配方法以降低其影响是改善散热的主要途径。随着科技的发展, 新材料和新工艺被广泛的应用到了慢波系统的制备。无变形热挤压法、缠丝装配法、磁控溅射镀膜焊接法、真空蒸镀焊接法和压力扩散焊接法的提出和应用, 使得慢波系统的散热性能得到了极大的改善。金刚石材料具有优异的属性, 将其应用在慢波组件的制备中, 可以获得更好的散热效果。综合考虑各个方面的影响因素, 适时引进各种先进的材料和技术, 必将带来螺旋线行波管性能的进一步飞跃。

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