本文主要介紹了螺旋線焊接結構在X波段大功率螺旋線脈沖行波管中應用的必要性及實現方案，給出了采用焊接結構的螺旋線行波管慢波系統的熱仿真數據。整管試驗結果表明，在與600W 行波管相同的傳導冷卻的條件下輸出功率能力大幅度提高，獲得了大于900W 的平均功率。

　　螺旋線型行波管因具有寬頻帶的特性而廣泛應用于雷達系統、通信系統等多種領域。但這類行波管慢波結構的散熱能力有限，制約其平均功率的提高。對于大功率螺旋線行波管而言，提高慢波系統的功率容量意味著可進一步提高行波管輸出平均功率，而提高慢波系統的功率容量最有效的途徑就是減小“螺旋線-夾持桿-管殼”間的接觸熱阻。目前大功率螺旋線行波管多使用復合管殼夾持的方式以獲得較小的界面熱阻，在X波段已獲得了600W 的平均功率。若平均功率進一步提高至800W以上，真空技術網(http://smsksx.com/)認為這種夾持方式將難以滿足慢波結構的散熱需求，所以必須采用降低熱阻最有效的螺旋線焊接技術以減低界面溫差。

1、焊接結構的散熱能力分析

　　對于大功率螺旋線行波管來說，慢波系統內部的接觸熱阻主要集中在螺旋線與夾持桿及夾持桿與管殼這兩個導熱界面之間，一些仿真結果表明，這些交界面處的溫差約占螺旋線的最高溫度點與管殼之間總溫差的70%，其中螺旋線與夾持桿之間的溫差遠大于夾持桿與管殼之間的溫差。20世紀70年代初期，國外推出了如圖1所示的焊接結構。

圖1 焊接結構示意圖

　　利用焊接工藝，螺旋線材料的選擇范圍要比彈壓夾持工藝或壓力夾持工藝大得多，除鎢和鉬之外，還可以使用銅，使螺旋線達到最佳的熱傳導并最終降低損耗。法國在這種工藝上最為成功，有文獻稱法國THOMSON-CSF公司的“銅螺旋線-3根楔形BeO桿-銅管殼的釬焊結構”，其熱耗散能力比通常的彈性變形夾持結構高16倍，其生產Ku波段行波管的飽和輸出功率達到了750W。

　　本文用熱分析軟件對螺旋線與夾持桿焊接前后的熱狀態進行模擬，圖2(a)為螺旋線與夾持桿焊接后慢波系統的溫度分布，圖2(b)為螺旋線與夾持桿間加上接觸熱阻的仿真結果，熱阻為復合管殼夾持工藝的測試結果的近似值。比較兩圖可知，接觸熱阻對螺旋線組件溫度有著非常大的影響，焊接結構使螺旋線慢波結構上的最高溫度降低約100℃，可以有效地把螺旋線上的熱量通過夾持桿導出至金屬管殼，顯著降低螺旋線溫度。

圖2　螺旋線與夾持桿焊接后和復合管殼夾持的熱分布

2、試驗結果

　　2.1、散熱性能測試

　　我們對焊接結構與非焊接結構的散熱性能進行了初步測試。測試中，對慢波組件的螺旋線兩端加恒定直流電流，給螺旋線提供約20W 功率，使螺旋線溫度上升，在這個過程中利用FBG(光柵)及熱偶分別測量螺旋線及管殼外部溫度，由此可得到內外界面總溫差，進而判斷其散熱性能的優劣。測試時控制螺旋線最高溫度不超過80℃。

　　圖3給出了測試結果，可以看出焊接結構的內外溫差明顯小于非焊接結構，慢波結構散熱性能得到改善。但此方法受FBG保護套與螺旋線局部短路、內外測溫點位置誤差等因素影響，測試結果準確性有待提高，還需進一步完善測試方法。

圖3 不同結構內外溫差測試結果

　　2.2、整管測試

　　通過X波段平均功率600W 行波管(VE3190)進行了螺旋線焊接試驗，并對采用焊接結構的VE3190行波管進行測試，試驗時使用與原600 W行波管相同的傳導冷卻散熱方式。

　　分別對樣管在同一頻率不同工作比下的平均輸出功率以及同一工作比時不同頻率點的平均輸出功率進行了測試，測試現場和測試結果如圖4-圖6所示。

圖4 測試現場　圖5 不同工作比時測試結果

圖6 14%工作比時不同頻率下的測試結果

　　圖5是某一固定頻率下增加工作比的測試結果，圖6給出了同一工作比時不同頻率下的測試結果。可以看出，在同一工作頻點，隨著工作比的增加，平均功率、輸出段最高溫度線性增大，效率及峰值功率基本保持不變;在2GHz的頻帶內，樣管的輸出功率平坦，隨著工作頻率的提高，效率有所下降，溫升較快。測試結果表明在X波段螺旋線行波管中初步實現了焊接結構，將平均功率由600W 提高至900W 以上。

3、結束語

　　通過合理的工藝流程設計，最終在X波段大功率脈沖行波管中實現了螺旋線焊接結構的應用，使樣管在2GHz頻帶內，平均功率由600 W 提高至900W 以上。