微波管的熱分析.pdf

1、本論文的工作主要涉及行波管和磁控管的熱分析。利用理論分析與ANSYS、MAFIA等軟件模擬對(duì)這兩種微波管的熱形變和散熱問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究，分析熱形變對(duì)微波管各項(xiàng)參數(shù)的影響，為微波管的熱設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)和手段。主要研究工作如下： 1.對(duì)磁控管的熱形變和散熱分析磁控管的特點(diǎn)是輸出的功率大，效率高，體積小，重量輕，成本低，因而它不僅在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在民用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。能否有效地散熱成了磁控管能否在高功率輸出

2、時(shí)保持正常工作的關(guān)鍵。對(duì)磁控管的散熱進(jìn)行了細(xì)致的研究，分析了不同材料、不同翅片數(shù)、不同風(fēng)速對(duì)散熱效果的影響，并提出了一種新型的非對(duì)稱散熱片。這種非對(duì)稱散熱片可以節(jié)約成本而不影響散熱效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了驗(yàn)證，同時(shí)也獲專利授權(quán)。分析了磁控管正常工作時(shí)，影響磁控管工作頻率的各種因素，計(jì)算了熱形變對(duì)頻率的影響，計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值一致。 2.對(duì)行波管的熱分析螺旋線行波管是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種行波管，具備寬頻帶高增益的優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今微波頻

3、率的功率放大器件中占據(jù)著重要的地位，其缺點(diǎn)是慢波結(jié)構(gòu)的散熱性能差，影響了它向高功率的方向發(fā)展。高的熱負(fù)載溫度對(duì)行波管的可靠性與穩(wěn)定性影響很大，定性和定量地研究溫度對(duì)行波管各部分參數(shù)的影響，為解決行波管的穩(wěn)定性和可靠性提供了有效的途徑。分別對(duì)螺旋線行波管的電子槍、慢波結(jié)構(gòu)和收集極進(jìn)行了熱分析，并計(jì)算了熱形變對(duì)其性能指標(biāo)的影響。 (1)通過(guò)對(duì)電子槍的熱形變分析發(fā)現(xiàn)，陰極組件的熱膨脹主要由陰極筒的熱膨脹造成，使陰控距離縮短。此外，陰極

4、邊緣的熱膨脹大于陰極中心的熱膨脹，導(dǎo)致陰極凹面也有一定的形變，其結(jié)果等效于陰極的曲率半徑減小，同時(shí)陰極在徑向的熱膨脹導(dǎo)致陰極截面半徑增加，使陰極的半錐角增大，這些將導(dǎo)致電子束的射程、導(dǎo)流系數(shù)和注腰半徑減小，面積壓縮比增大。因此在設(shè)計(jì)電子槍時(shí)可適當(dāng)減小陰極筒的長(zhǎng)度和陰極的曲率半徑。由于電子槍結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，形狀特殊，對(duì)整個(gè)電子槍的建模和熱計(jì)算會(huì)耗去設(shè)計(jì)人員的大量時(shí)間和精力。通過(guò)對(duì)電子槍的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了溫度場(chǎng)和熱形變的計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)和全模型的

5、熱形變結(jié)果沒(méi)有太大的區(qū)別。對(duì)全模型的計(jì)算需要幾個(gè)小時(shí)，而簡(jiǎn)化模型的計(jì)算只需要幾分鐘。該結(jié)論表明，電子槍設(shè)計(jì)人員在計(jì)算電子槍的熱形變對(duì)電子注參數(shù)的影響時(shí)，只需要建立簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，從而大大地減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，這對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期是非常有意義的。 (2)慢波結(jié)構(gòu)的熱分析分別介紹了螺線溫升研究的理論方法、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。分析了影響慢波結(jié)構(gòu)傳熱能力的各種因素，特別討論了接觸熱阻的影響。推導(dǎo)了計(jì)算螺線溫升的理論公式，公式中考慮了

6、接觸熱阻的影響。理論公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致。建立了螺線溫升計(jì)算的數(shù)值模型，數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮了導(dǎo)熱率隨溫度變化的因素，并采用等效法考慮接觸熱阻的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較吻合。計(jì)算了不同材料和結(jié)構(gòu)的慢波結(jié)構(gòu)的功率耗散，為行波管的慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。 重點(diǎn)分析了熱形變對(duì)慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的影響，介紹了色散特性和耦合阻抗的理論和數(shù)值分析方法，比較了不同計(jì)算方法和軟件計(jì)算結(jié)果的差異。用MAFIA計(jì)算了螺帶熱形變對(duì)高頻特

7、性的影響。從計(jì)算結(jié)果得知，熱形變對(duì)色散特性有比較明顯的影響，但對(duì)耦合阻抗的影響很小。由于在整個(gè)慢波波結(jié)構(gòu)上螺帶溫度是不同的，將導(dǎo)致相速發(fā)生不同的變化，說(shuō)明溫度造成在慢波線上相速的非均勻性。高頻特性的變化主要是由于螺帶徑向變形帶來(lái)的影響；螺帶寬度的膨脹很小，對(duì)高頻特性的影響可以忽略不計(jì)。 (3)比較了收集極在不同的熱流密度加載方式下的溫度分布計(jì)算結(jié)果的差別，在定量分析計(jì)算收集極的溫度分布時(shí)應(yīng)首先計(jì)算電子軌跡，再換算成熱流密度作為熱

8、分析的邊界條件。如果只是定性地比較各種冷卻方式的平均耗散功率密度范圍或?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可以采用均勻熱流密度加載，這樣可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。 分別計(jì)算了不同形狀和不同散熱手段下收集極的耗散功率和平均耗散功率密度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)值一致，說(shuō)明了模擬計(jì)算的正確性，因此本文的模擬方法可用于收集極的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 3.專用軟件的開發(fā)在本文的熱分析基礎(chǔ)上開發(fā)了計(jì)算螺旋線溫升的專用軟件“行波管螺旋線慢波結(jié)構(gòu)熱特性計(jì)算”和磁控管散熱分