利用實驗測評和模擬分析的方法研究了螺旋線慢波系統中采用不同材料的管殼對其性能的影響。主要分析了蒙乃爾管殼、銅管殼和蒙乃爾內嵌銅管殼的應用,對螺旋線慢波系統的散熱性能和高頻特性的影響。研究表明,在蒙乃爾管殼內部嵌銅,即可以保證管殼的機械強度,又可以改善慢波系統的散熱性能,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,它被應用于通信系統、雷達系統和電子對抗系統等眾多的場合。螺旋線慢波系統是螺旋線行波管中能量交換的關鍵部件,其性能的優劣直接影響著整管的特性 。螺旋線慢波系統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械強度、無磁性、良好的熱傳導性和高溫強度。通常選用蒙乃爾、無氧銅、不銹鋼等材料來制作管殼。現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,它具有高強度、良好的延展性、可焊性和優良的耐蝕能力,高溫時有比不銹鋼好的強度。銅材料具有很好的導電和導熱能力,可是其機械強度不高,容易引起管殼變形。將一定厚度的銅內殼嵌在蒙乃爾管殼的內部,可以互補蒙乃爾與銅的優缺點,并對慢波系統的性能進行改善。

1、不同材料管殼的制備

　　采用不同管殼與采用嵌內殼管殼的螺旋線慢波系統的結構如圖1 中所示。

圖1 　不同管殼的結構示意圖　　圖2 　不同材料管殼的實物圖

　　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部嵌銅管殼。其中,蒙乃爾內嵌銅管殼的制備方法如下:首先在銅內殼的外表面電鍍8μm 的銀膜,并將其滑配裝入蒙乃爾管殼內部,然后將兩部分焊接在一起。內殼的厚度與外殼相近,兩個殼的總厚度為普通管殼的厚度。采用內嵌管殼,既可以利用蒙乃爾的高機械強度,又可以兼顧銅的高導熱和高導電性能。不同管殼的實物圖如下:

　　下面利用計算機軟件模擬和實驗測評,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。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

　　螺旋線慢波結構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定性與可靠性的重要因素。實驗中制備了三個相同結構和尺寸的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。

　　采用實驗測評的方法進行慢波結構散熱性能的研究。利用金屬材料的電阻隨溫度的變化關系建立散熱性能的評價體系。在真空條件下,對慢波結構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螺旋線的溫度。當加入相同功率時,螺旋線上的溫度越低,說明慢波結構的散熱性能越好,反之亦然。該研究方法的可行性和準確性已經在以往的文章中中給予詳細的驗證。

　　為保證慢波組件外具有相同的散熱條件,在三個組件的管殼外增加相同材料和結構的模具。進行實驗研究,得到圖3 所示的結果:

圖3 　慢波系統散熱性能的實驗比較圖　　圖4 　慢波系統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,銅材料表現出了較高的導熱能力。不過,由于銅材料的機械強度較弱,所以在制備管殼和進行組件加工時,純銅管殼容易產生變形。而蒙乃爾內嵌銅管殼既保持了蒙乃爾材料的高機械強度,又兼顧了銅材料的高導熱性能。如圖3 中所示,內嵌銅管殼與純銅管殼對慢波組件導熱能力的影響相近,兩個組件均表現出較好的散熱性能。

　　利用ANSYS 仿真軟件按照圖1 所示的慢波系統建立仿真模型,根據實驗條件設定熱負載和材料屬性。分析比較采用三種不同管殼時,慢波系統的散熱性能的變化情況,模擬研究的結果如圖4 中所示。

　　由圖4 中可以看出,采用純銅管殼與內嵌銅管殼的慢波系統的散熱性能相似,而采用純蒙乃爾管殼的慢波系統的散熱性能較差。模擬結果與實驗結果具有很好的一致性。

　　不同材料管殼的使用對慢波系統的散熱性能具有一定的影響。研究表面,蒙乃爾管殼的導熱能力較差,采用蒙乃爾內嵌銅管殼可以在一定程度上改善慢波系統的散熱性能。

3、高頻特性

　　慢波結構的高頻特性主要是指色散特性、耦合阻抗和衰減常數。色散特性體現了不同頻率的電磁波沿慢波結構傳播速度的差別;耦合阻抗反映了注- 波互作用的強弱,它將直接影響到整管的輸出功率和效率;衰減常數主要描述了電磁波在傳播過程中能量的損耗,這個損耗包括慢波結構中金屬材料的表面電流損耗和非金屬材料的介質損耗。利用仿真軟件CSTMWS 對慢波結構的高頻特性進行研究。使用CSTMWS 進行慢波結構的研究,可以得到與實驗測試相當一致的結果,并可以分析各個組件上的損耗,在真空技術網以往的文章中中給出了多方面的驗證。

　　對由純蒙乃爾、純銅和蒙乃爾內嵌銅管殼組成的Ku 波段的螺旋線慢波系統進行研究。在不改變管殼的結構和尺寸的情況下,金屬管殼材料的變化不會影響慢波系統的色散特性和耦合阻抗。同樣,在不改變管殼厚度的情況下,改變內嵌銅殼的厚度,對慢波系統的色散特性和耦合阻抗也不會產生作用。

　　純銅管殼與內嵌銅管殼的內部均為銅材料,而管殼上的高頻損耗主要是產生在其內部,所以這兩種管殼產生的高頻損耗基本相同。所以,在對不同管殼的高頻損耗的比較研究時,主要分析采用純蒙乃爾管殼和采用嵌銅管殼兩種。研究的結果如圖5所示:

圖5 　慢波結構的衰減常數的比較圖　　圖6 　管殼上的衰減常數比較圖

　　圖5 給出了不同材料的管殼對整個慢波系統的高頻損耗的影響。在低頻段采用了嵌銅管殼的慢波結構的高頻損耗略微的降低,而在高頻段幾乎沒有變化。管殼內部的銅內殼具有較強的導電能力,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組件的損耗中所占的比重較小,所以管殼上損耗的變化對整個組件的影響比較微弱。改變嵌入的內殼的厚度不會對慢波結構的衰減常數產生明顯的影響。

　　由以上的研究可知,采用不同材料的管殼對慢波系統的高頻損耗的影響比較小。采用具有高導電能力的金屬內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、結論

　　采用不同材料管殼,對螺旋線慢波系統的散熱性能和高頻特性會產生一定的影響。采用純銅管殼和蒙乃爾內嵌銅管殼的慢波系統具有較強的散熱性能,而采用純蒙乃爾管殼的慢波系統的導熱能力較弱。采用不同材料管殼對慢波系統的色散特性、耦合阻抗和高頻損耗的影響比較微弱。研究表明,在蒙乃爾管殼的內部嵌銅內殼,可以利用銅的高導熱能力,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械強度,保證管殼不易變形;銅內殼的增加,基本不會改變慢波組件的色散特性和耦合阻抗,又由于銅內殼的高導電能力,會使高頻損耗在低頻段略微下降。根據行波管的制管要求,選用不同材料的管殼,可以對慢波系統的性能進行適當的調節。