大平均功率耦合腔行波管慢波系统的散热设计

　　工艺与应用大平均功率耦合腔行波管慢波系统的散热设计龚海华，杨定义，张彦成，孟晓君，王娟（北京真空电子技术研究所，北京100015）合腔行波管更是如此。本文正是针对上述问题，研究了提高耦合腔行波管慢波系统散热能力的途径以及可采取的措施。提出了一种可提高耦合腔行波管慢波系统散热能力的结构方案，并对方案进行了热分析及磁分析。制管结果表明采用该散热结构方案的慢波系统能稳定承受1500 W的电子截获功耗使整管实现24kW的平均功率输出。

　　雷达自诞生到现在，随着信号处理技术的进步，其设计思想也在不断变更和进步，其中重要的一点就是在有限的武器平台电力系统的支撑下单部雷达实现多功能。因此，目前雷达发射机的主流设计思想是：以合适的脉冲功率、足够的平均功率，完成高、中、低重复频率及宽、窄脉冲的有机组合以实现对各类目标的探测跟踪（远近目标，中高空、低空及海面、地面目标，高速、低速目标等）。

　　x波段大平均功率耦合腔行波管用于远程预警雷达，是雷达的核心器件，其输出平均功率是影响雷达作用距离的关键因素之一。本文的目标是将X波段耦合腔行波管的平均功率从1kW提高到2. 4kW以上。

　　大平均功率行波管的热设计包含两方面的意思：其一是通过各部件的“零”缺陷设计、高效率设计避免产生非必要的热功耗；其二是通过某些散热措施的应用对产生热功耗的部件进行有效地冷却，从而保证整个器件安全可靠地工作。对于大平均功率耦合腔行波管而言，热设计压力主要来自慢波系统即高频互作用部件以及降压收集极部件两大方面。其中慢波系统起到微波信号放大和维持电子注聚焦的双重作用，其结构电气尺寸及可用材料均受到严格限制，所有散热结构的应用均不能破坏其基本功能，因此慢波系统的散热设计是整管设计过程中重要、困难的部分之一。

　　大平均功率耦合腔行波管慢波系统的散热设计主要由输出窗部分、管内衰减器部分和高频结构部分组成。

　　大平均功率耦合腔慢波系统热设计的步是对能量输出结构的“零”缺陷设计。对能量输出结构而言，其热功耗的来源主要是高频窗的介质损耗、系统失配时的反射损耗和因缺陷引起的涡流损耗，其中介质损耗和系统失配的反射损耗不可能完全消除，需要重点解决的是通过科学的结构设计和可靠工艺控制消除制造缺陷、杜绝涡流的产生，在本课题中将通过采用高功率容量BN盒形窗方案解决问真空电子技术原有1kW方案冷却结构示意图仿真计算结果如所示。

　　原有1kW方案热仿真结果图题。热设计的第二步是管内衰减器部件的设计。管内衰减器的热容量及导热能力的优劣直接影响到整管的可靠性，是大平均功率行波管慢波系统设计必须着重考虑的地方之。由于篇幅所限在本报告中对输能系统和管内衰减部分的具体设计不作细述。

　　在已提高整管电子效率的前提下，耦合腔行波管慢波系统散热设计的核心部分是散热结构设计，这也是本文要详细论述的部分。

　　2耦合腔行波管慢波系统散热结构的设计耦合腔慢波系统的热源主要有两个方面：是电子截获功率，另外个是高频损耗功率。其中电子截获功率是热量的主要来源，即在中的电子注通道周围是热源位置。高频互作用部件的散热结构设计的目的就是把中A点的热量快速的导出去。

　　21慢波系统散热结构设计的基本思路对于大平均功率行波管而言，慢波系统的热设计是至关重要的，而在液冷耦合腔行波管慢波系统中由于液冷通路的存在，使得慢波结构变得极为复杂且不规则，因此要建立液冷耦合腔行波管慢波系统的完整散热理论模型是非常困难的。在本课题中以北京真空电子技术研究所研制的某1kW平均功率管型的慢波系统散热结构作为基础和设计的依据，并使用ANSYS仿真软件开展研究工作。

　　由于冷却液与固体壁之间的对流换热系数与冷却液导热系数、冷却液密度、冷却液动力粘滞系数、冷却液比热、流速、通道尺寸、通道表面光洁度等很多因素有关，需通过大量的试验来获得，无法计算，因此，本文中计算出的具体温度值是不可信的，但当对流换热系数选取同样的值时，通过比较计算结果得出的结论是完全可以作为设计依据的。

　　所示的结构为该所研发并成功应用于1kW平均功率PPM聚焦行波管的慢波系统冷却结构。该结构的特点是冷却主要靠铜腔环，对磁系统破坏小。应用该结构的行波管已经批量生产，大量的实测数据证实应用该结构的行波管能稳定承受的电子截获功率可达750W.在进行慢波系统散热结构设计前，先对原有结构进行热仿真计算。根据实际制管经验，行波管慢波系统的电子截获主要集中在慢波系统输出段的后几片极靴上，在这里假设单片极靴上的大电子截获功率为75W，并根据工程经验选定液冷通道表面的对流换热系数I设置冷却液的温度为30C，热4kW以上的PPM聚焦耦合腔行波管，本文将在原有管型的基础上进行电子光学系统的优化设计以减少高频需承受的电子截获功耗，但即便如此，慢波系统仍必须要确保能承受1500W以上的电子截获功耗才可保证整管工作的稳定性。为此在原有1kW结构的极靴内壁均匀施加150W的功率，其余设置均不变，仿真结果如所示。

　　原有1kW方案施加双倍功耗热仿真结果、中计算出的具体温度值与极靴内的实际温度值肯定是有差异的，但该温度分布以及温度变化的趋势是可信的。从与的对比可以看出，同样的结构，在承受的热功耗按比例增长时极靴内部的温升亦大致按比例增长。从计算的结果也可以看出，原有结构是无法实现整管2. 4kW平均功率输出的。因此，需要从原有结构出发仔细分析慢波系统的散热机理，挖掘PPM聚焦耦合腔慢波结构的散热潜力。

　　由热力学理论，从中A点到B点，热传导率可以表示为：系数；A 3为垂直与r方向的传热面积；dT/dr为r方向的温度梯度。

　　从固体壁B面到冷却液间的传热速率Q2可表示为：考虑到耦合腔实际可接受的结构及工艺复杂程度，增加耦合腔热传导速率的有效途径有以下几个方面：①将有限厚的耦合腔板由纯铁改为铁与高导热金属的复合结构以提高Q中的K值；②将液冷通道尽可能地靠近热源，即提高Q中的T/r值；③增加冷却液与固体壁的接触面积，即提高Q2中的A，s值。

　　2高频部件散热结构设计方案基于上述理论分析，并考虑到PPM聚焦耦合腔慢波系统具有微波信号放大和磁聚焦系统主要组成部分的双重作用，其结构、电气尺寸及可用材料均受到严格限制，所有散热结构的应用均不能破坏其基本功能，我们制定了所示的新散热结构方案。

　　该方案的特点是在铁极靴双面覆定厚度的高导热能力金属，冷却液通道沿用原有ikW方案，在总体结构上变化尽可能小。在电真空常用材料中，铜的导热能力是强的，而且在极靴表面覆铜可以减小极靴的高频损耗，举两得。为此本文选用铜作为导热用补偿材料。

　　由于铜的导热系数是铁的5. 5倍，即Q中的K值大幅增加，这样可以大幅提高从A点到B点的热传导率Q从而提高高频的散热能力。

　　在完成初步结构设计后，同样进行了热仿真计算及优化。通过优化导热补偿材料的厚度、位置后，极靴头施加i50W功耗时极靴内部的高温度已接近原有ikW方案。仿真结果如所示。

　　新方案热仿真结果在保证耦合腔电气尺寸不变的情况下，非磁性导热补偿材料的引入必然会减小原有磁性材料的厚度，存在极靴头提前饱和的风险。为此，在完成结构设计后，用0PERA-3D电磁仿真软件进行了磁系统的数值计算，计算结果表明当极靴表面覆铜的厚度较薄、位置选取合理时，对极靴内部的大磁感应强度、轴上峰值磁场几乎没有影响，横向场也只是略有增加。该方案在磁聚焦问题上是可行的。

　　3实测结果及结论在完成方案设计后，进行了大量的工艺试验，解决了系列工艺问题，终使上述结构设想得以实现。

　　应用该结构的流通管的流通率达到98以上，较大。

　　4结束语本文针对宽带大功率行波管使用的同轴输出系统的缺点，简单研究了双脊波导输出系统的特征。通过简单的理论分析，CST微波工作室软件的模拟优化设计，并将优化结果运用到实际的制管中，验证了双脊波导窗应用在宽带大功率行波管上是可行的。