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《电子科技大学》 2007年
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微波管的热分析

姚列明  
【摘要】: 为了使微波管向更宽的频带,更高的效率,更大的功率,更可靠和更长的寿命方向发展,其合理的热设计是改进微波器件性能的重要手段之一,它是微波器件获得高功率、高可靠性和低故障率的重要保证。微波管的热分析主要涉及热形变和散热问题。高温导致的热形变问题直接影响器件的可靠性,严重的还将导致微波管物理上损坏,而散热能力直接影响了器件的输出功率和工作寿命,这样就限制了微波管向小型化大功率的方向发展。 本论文的工作主要涉及行波管和磁控管的热分析。利用理论分析与ANSYS、MAFIA等软件模拟对这两种微波管的热形变和散热问题进行详细的研究,分析热形变对微波管各项参数的影响,为微波管的热设计提供有效的理论依据和手段。本论文所用的理论分析方法和数值模拟手段也可以推广应用到其它微波器件或电子器件。本文的主要工作有: 1.对磁控管的热形变和散热分析 磁控管的特点是输出的功率大,效率高,体积小,重量轻,成本低,因而它不仅在军事领域得到了广泛的应用,在民用领域也得到了广泛的应用。能否有效地散热成了磁控管能否在高功率输出时保持正常工作的关键。本文对磁控管的散热进行了细致的研究,分析了不同材料、不同翅片数、不同风速对散热效果的影响,并提出了一种新型的非对称散热片。这种非对称散热片可以节约成本而不影响散热效果,并通过实验测量得到了验证,同时也获专利授权。本文还分析了磁控管正常工作时,影响磁控管工作频率的各种因素,计算了热形变对频率的影响,计算结果与经验值一致。 2.对行波管的热分析 螺旋线行波管是当前应用最广泛的一种行波管,具备宽频带高增益的优点,在当今微波频率的功率放大器件中占据着重要的地位,其缺点是慢波结构的散热性能差,影响了它向高功率的方向发展。高的热负载温度对行波管的可靠性与稳定性影响很大,定性和定量地研究温度对行波管各部分参数的影响,为解决行波管的稳定性和可靠性提供了有效的途径。本文分别对螺旋线行波管的电子枪、慢波结构和收集极进行了热分析,并计算了热形变对其性能指标的影响。 (1)通过对电子枪的热形变分析发现,阴极组件的热膨胀主要由阴极筒的热膨胀造成,使阴控距离缩短。此外,阴极边缘的热膨胀大于阴极中心的热膨胀,导致阴极凹面也有一定的形变,其结果等效于阴极的曲率半径减小,同时阴极在径向的热膨胀导致阴极截面半径增加,使阴极的半锥角增大,这些将导致电子束的射程、导流系数和注腰半径减小,面积压缩比增大。因此在设计电子枪时可适当减小阴极筒的长度和阴极的曲率半径。 由于电子枪结构十分复杂,形状特殊,对整个电子枪的建模和热计算会耗去设计人员的大量时间和精力。本文通过对电子枪的简化模型进行了温度场和热形变的计算比较,发现和全模型的热形变结果没有太大的区别。对全模型的计算需要几个小时,而简化模型的计算只需要几分钟。该结论表明,电子枪设计人员在计算电子枪的热形变对电子注参数的影响时,只需要建立简化模型进行计算,从而大大地减少计算量和计算时间,这对缩短设计周期是非常有意义的。 (2)慢波结构的热分析分别介绍了螺线温升研究的理论方法、实验方法和数值模拟方法。分析了影响慢波结构传热能力的各种因素,特别讨论了接触热阻的影响。推导了计算螺线温升的理论公式,公式中考虑了接触热阻的影响。理论公式的计算结果与实验值基本一致。本章还建立了螺线温升计算的数值模型,数值计算时考虑了导热率随温度变化的因素,并采用等效法考虑接触热阻的影响,数值计算结果与实验值比较吻合。计算了不同材料和结构的慢波结构的功率耗散,为行波管的慢波结构设计提供了一定的参考。 本文还重点分析了热形变对慢波结构高频特性的影响,介绍了色散特性和耦合阻抗的理论和数值分析方法,比较了不同计算方法和软件计算结果的差异。用MAFIA计算了螺带热形变对高频特性的影响。从计算结果得知,热形变对色散特性有比较明显的影响,但对耦合阻抗的影响很小。由于在整个慢波波结构上螺带温度是不同的,将导致相速发生不同的变化,说明温度造成在慢波线上相速的非均匀性。高频特性的变化主要是由于螺带径向变形带来的影响;螺带宽度的膨胀很小,对高频特性的影响可以忽略不计。 (3)比较了收集极在不同的热流密度加载方式下的温度分布计算结果的差别,在定量分析计算收集极的温度分布时应首先计算电子轨迹,再换算成热流密度作为热分析的边界条件。如果只是定性地比较各种冷却方式的平均耗散功率密度范围或对结构进行优化设计,则可以采用均匀热流密度加载,这样可以节约计算时间。 本文分别计算了不同形状和不同散热手段下收集极的耗散功率和平均耗散功率密度,计算结果与实际的经验值一致,说明了模拟计算的正确性,因此本文的模拟方法可用于收集极的优化设计。 3.专用软件的开发 在本文的热分析基础上开发了计算螺旋线温升的专用软件“行波管螺旋线慢波结构热特性计算”和磁控管散热分析专用软件“磁控管散热CAD”,为设计人员提供了方便、快捷的热分析手段,为微波管的热设计提供了很好的参考。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN12

【引证文献】
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【同被引文献】
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【相似文献】
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