大功率行波管散热系统模拟

　　工艺与应用大功率行波管散热系统模拟曹雪梅，赵新刚，李彦宾，周明干（北京真空电子技术研究所，北京100015）流体分析软件对原有的水路通道进行了优化设计。经实际测试验证，优化后的设计大大提高了行波管高频散热能力，从而提高了大功率行波管在苛刻环境下的工作可靠性。

　　螺旋线行波管以其高增益、低噪声、宽频带、适当的输出功率等特点被广泛应用于雷达、电子对抗、通信等各种领域。不断提高螺旋线行波管输出功率成为行波管研制的趋势之。螺旋线慢波结构是螺旋线行波管的重要组成部分，而慢波结构的高频输出端在整个结构中尤为重要。在行波管工作时，螺旋线的高频输出端承受了电子注截获功率、高频损耗功率及输出端反射功率引起的热损耗，这些损耗引起了该部位很大的热流率，导致慢波结构温度上升，严重影响了慢波结构的稳定性和可靠性，制约了行波管输出功率的传输，当热损耗过大时，甚至会烧毁螺旋线1.作为螺旋线慢波结构的变形环圈慢波结构行波管具有较高的基波耦合阻抗、较低的返波耦合阻抗，能够在高电压（般可到15kV以上）条件下，有效的抑制返波振荡，基波脉冲输出功率能达到几千瓦到几百千瓦量级。同时，如何将截获能量、高频损耗功率产生的热量导出是环圈慢波结构急需解决的问题，提高环圈慢波结构的散热能力，不仅能够使该类行波管工作稳定性提高，而且能大大提高行波管的输出功率量级。

　　1慢波结构散热模拟11散热系统模拟的设定本文以种环圈慢波结构行波管高频为基本结构。该慢波结构由环圈、夹持杆、管壳、极靴结构组成，如所示。该慢波结构上的耗散功率约为6001000W，对于环圈结构要求承受更高的热能才能使行波管稳定工作，因此本文在选择铜作为管壳材料的情况下，采用管壳壁外壁与极靴焊接后由冷却液经水路散热以获得较好的散热性能。

　　在模拟软件的选择上，我们未采用普遍使用的ANSYS软件，而是采用了网格划分比较方便，便于分析非线性系统和热辐射、传导系统的MSC公司的Marc软件，来进行本系统热传导分析。该软件能够计算结构内部热分布情况，并直观的看到结构内相变潜热、发热点位置及分布。

　　用接触热阻模拟环圈和夹持杆、夹持杆和管壳之间的接触传热，两类接触界面的接触热阻均取5X104W/m2 C，其余部分的焊接按理想状态处理。

　　用表面对流换热系数模拟管壳的水冷散热面。

　　高热流密度慢波结构温度分布行波管环圈慢波结构低热流密度慢波结构夹持杆温度分布对流换热系数取为1X104W/m2 C，水温取室温计算中考虑了高频内部热辐射对传热的影响。

　　各种材料的表面发射率及热导率等参数如表1所示。

　　表1各材料发射率及热导率材料Mo（环圈）BeO（夹持杆）Cu（管壳）Fe（极靴）发射率热导率145 2模拟结果与分析般而言，行波管在工作时，慢波结构在输出段末端的温度高，因此本文在输出环圈的末端5个周期施加了热流密度以模拟电子轰击慢波结构生热，分别施加的热流密度约为1.8X106和3.33X10sW/m2，加载于环圈慢波结构上的功率约为600和1000W，在考虑多面辐射后，计算后的温度云图分别如和4所示。和分别给出了相应条件下夹持杆上的温度分布。

　　低热流密度慢波结构温度分布相关认为传导冷却的螺旋线型行波管的底板温度高可到125C，慢波线（螺旋线、环圈等慢波结构）截获电流、微波损耗和底板温度，这三项可使慢波线（输出端）的温度升高到400C，或稍高一点。如果温度过高，会使慢波线、夹持杆、管壳的接触界面发生变化，如果靠近输出端的慢波线与夹持杆之间的个接触面情况恶化，在那点，慢波线的温度就要上升，微波损耗也随之上升，微波功率吸收增加，温度进一步上升，形成恶性循环，直至慢波线烧毁。本文中的环圈结构在未引入热应力影响的条件下，各接触面为理想导热面。由计算可知，在热流密度为1.8X106W/m2时，其环圈结构稳态高温度达到381C，相应的夹持杆高温度为109C.在热流密度为3.结构稳态高温度达到677C，相应的夹持杆高温度为179C.因此施加组热流密度即已经接近该环圈结构的热耗散极限。如果实际工作时，电子轰击集中于输出段末端，局部热流密度加大，则可能造成环圈结构烧蚀、驻波改变等恶劣结果。

　　2水冷通路优化设计21初设计方案大功率行波管在工作时输出段有大量的热量需要导出，由于液体介质（包括水、冷却液、矿物油）的热容量大，且流量可调节，因此水冷方式是大功率行频结构波管的主要选择。但是水冷方式的管路设计往往成为大功率行波管设计的难题之。在本文中，环圈结构初设计的水冷管路如所示。

　　边界以水压3kg为基础，材料为水。利用FLUEN了流体分析软件模拟3kg压力下的速度场云图分布，如所示。

　　出水原始水冷管路结构水冷管路流速场云图由图可知，压力损失主要集中在高频段主体结构中，但流体的进出口压力损失也相对较大，经计算高频处内圆环面积相当于直径5.36mm的孔，而水三通直径为3.5mm，改直角为圆角过渡，可适当降低系统阻力系数，流量由0. 021kg/s，改进效果不明显。增加三通内通道面积，流量由0.021kg/s增加到0.023kg/s，改进效果也不明显。

　　Z2优化设计方案在原设计基础上，采用外部连接为双通道的散热水冷通路，如所示边界条件同上，利用FLUENT软件模拟3kg压力下的速度场云图见。

　　S喊结036X2kg/s，可见通过采用双通道有效地增加了流体流速，有利于管体的散热。该结构的理论极限值为0.075kg/s，可见该水冷通路设计较为理想。该结构经实际应用到行波管中，改进后其流体温升大大降低，起到了提高冷却能力的作用。

　　改进后水冷结构流速场云结论本文以大功率行波管高频散热系统为原型，利用通用有限元分析软件MSC.Marc对其进行了散热分析，计算结果定量说明了高频散热系统的热承受能力，为高频散热系统设计提供了设计依据。利用FLUEN了流体分析软件对原有的水路通道进行了优化设计。经实际测试验证，优化后的设计大大提高了行波管高频散热能力，从而提高了大功率行波管在苛刻环境下的工作可靠性。