多注毫米波行波管收集极的热的设计.pdfVIP

　第 20 卷 　第 2 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol . 20 ,No . 2 　 　2008 年 2 月 H I GH PO W ER L A SER AND PA R TICL E B EA M S Feb . ,2008 　 文章编号 : 　100 14322 (2008) 多注毫米波行波管收集极的热设计 谢松廷1 , 3 , 　吕国强1 ,2 , 3 , 　杨 　军1 ,2 , 　潘明明1 , 3 ( 1. 特种显示技术教育部重点实验室, 合肥 230009 ; 　2 . 合肥工业大学 光电技术研究院, 合肥 230009 ; 3 . 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 合肥 230009) 　　摘 　要 : 　为解决多注毫米波行波管收集极的散热问题 ,保障行波管工作可靠性与稳定性 ,利用 AN SYS 有限元软件模拟分析了收集极的传热特性 ,针对性地调整和优化了收集极相关参数与结构 。研究结果表明:接 触热阻是造成收集极具有较高温升的一个重要因素 , 由接触热阻所造成的温升约占收集极内外温度差的 1/ 3 ; 并不是第二电极与磁环接触宽度越宽所对应的收集极散热能力就越强 ,而是在一定工作条件下其散热能力存 在极限值 ;对于绝缘陶瓷材料 ,应根据绝缘陶瓷的温度特性以及行波管的功率大小来进行选择 ;翼片式散热器 是一种符合设计要求的理想散热结构 。 　　关键词 : 　行波管 ; 　多注 ; 　毫米波 ; 　收集极 ; 　热设计 　　中图分类号 : 　TN 124 　　　　文献标识码 : 　A 　　多注行波管是微波器件发展的一种新型管型 ,多注技术与毫米波的结合使其成为大功率毫米波系统优 良 的功率源 。多注毫米波行波管以其突出的特点 ,如大功率 、低电压 、宽频带 、小体积和轻重量引起人们极大的关 注[ 1 ] 。然而 ,多注毫米波行波管的研制还存在很多技术上的难题 。对于收集极来说 ,在十分有限的空间内同时 受到多注电子的轰击 ,大功率条件下的散热问题是一项迫切需要解决的技术难题 。因此开展收集极的热设计 研究对保障行波管的可靠性与稳定性以及延长行波管的寿命有着非常重要的意义[27 ] 。 　　本文针对某型五注毫米波行波管的样管设计 ,利用 AN SYS 有限元软件模拟计算了收集极的传热特性 ,并 在热分析的基础上 ,具有针对性地调整和优化了收集极的结构设计 ,得出了最终的优化设计方案 ,为高可靠性 、 高稳定性的多注毫米波行波管设计提供了重要的参考依据 。 1 　多注毫米波行波管收集极的热特性分析 　　利用 AN SYS 程序进行热分析可分为 3 个步骤 :建立有限元模型、加载求解和后处理 。 1 . 1 　有限元模型的建立 　　多注行波管收集极的主要组件有收集极 、绝缘磁环 、外筒以及散热器 。建立了收集极的 1 ∶1 真实 3 维结 构模型 ,为方便加载以及观察内部温度场分布可根据结构对称性建立二分之一分析模型 。该模型所涉及的材 料有无氧铜 、氧化铍瓷和钼 。 　　需要指出的是 ,为了计算收集极本身的热容量以及 后续评比不同散热器的散热能力 ,在进行收集极热特性 分析时未考虑任何散热器 。 1 . 2 　加载求解 　　对于该分析模型的边界条件 ,外筒壁采用的是 自然 对流边界条件 ,而内部边界条件则是由电子注沉降功率 转换得到的 ,该电子沉降功率由某专用多注行波管模拟 设计软件的收集极分析模块计算得到 , 电子沉降功率如 图 1 所示 。 　　同时 ,在分析模型中还充分考虑了各组件间接触热 Fig . 1 　Power of elect ron p recipit ation 阻的影响以及收集极中各电极间的辐射换热作用 , 以此 图 1 　电子沉降功率图 收稿 日期 ; 　　修订日期 :200712