行波管工作在非常惡劣的環(huán)境下，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性具有很高的要求。工作過(guò)程中產(chǎn)生的高溫易導(dǎo)致各個(gè)部件變形，同時(shí)承受各種機(jī)械沖擊和振動(dòng)應(yīng)力的作用，高溫下的振動(dòng)引起的應(yīng)力和變形影響更加惡劣，從而影響行波管的各項(xiàng)性能指標(biāo)和工作壽命，在熱特性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)分析，可以獲得工作狀態(tài)下真實(shí)的振動(dòng)特性，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性提供技術(shù)支持。本文調(diào)研分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)對(duì)行波管結(jié)構(gòu)熱與動(dòng)力學(xué)特性分析的研究方法和研究情況，并結(jié)合電子五所的研究成果提出了行波管可靠性研究的進(jìn)一步研究重點(diǎn)。

　　行波管作為唯一能在倍頻程范圍內(nèi)提高功率輸出的微波電真空器件，具有功率大、頻帶寬、效率高和可多種模式工作等良好特性，在雷達(dá)、通訊、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著雷達(dá)、通訊和電子對(duì)抗系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)行波管的功率、頻帶和帶寬特性的要求越來(lái)越高，而影響行波管進(jìn)一步提高功率等性能的一個(gè)重要因素是行波管的熱傳導(dǎo)能力，因此需要對(duì)行波管進(jìn)行熱分析，根據(jù)溫度分布結(jié)果提出改善措施，優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和材料性能，保證行波管工作在一個(gè)合理的溫度范圍。為了減少相關(guān)組件的熱變形對(duì)電性能參數(shù)的影響需要進(jìn)行熱力耦合分析。此外行波管在使用過(guò)程中要承受各種機(jī)械沖擊和振動(dòng)應(yīng)力的作用，因此行波管必須進(jìn)行振動(dòng)分析以滿足各種機(jī)械環(huán)境應(yīng)力的考核，保證在規(guī)定的應(yīng)力環(huán)境下正常工作。行波管熱分析在行波管設(shè)計(jì)階段，對(duì)行波管的熱特性進(jìn)行模擬仿真，獲得其溫度分布圖，以評(píng)價(jià)其工作可靠性，即在保證行波管電學(xué)性能的前提下進(jìn)行必要的熱設(shè)計(jì)，可使得行波管具有更好的熱特性和散熱性能，提高行波管的可靠性與穩(wěn)定性。行波管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的熱解析法求解其溫度分布和熱形變很難，早期計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力有限以及有限元理論方法不完善，因此模擬熱分析工作開(kāi)展較少。

　　近年來(lái)使用熱模擬仿真技術(shù)開(kāi)展行波管熱可靠性評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面，材料、結(jié)構(gòu)及接觸熱阻等優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高熱特性。對(duì)電子槍關(guān)鍵部件(熱屏筒、支撐筒)的材料、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以明顯提高加熱效率及快熱性能，如對(duì)熱屏筒材料及厚度的改進(jìn)，得到采用不同材料(鉭、鉬錸合金、鉬)熱屏筒的陰極組件的溫度分布情況，重點(diǎn)考察了陰極底面和鉬筒溫度隨厚度變化曲線如圖1所示。由圖1可知在材料方面采用鉭材料的熱屏蔽筒優(yōu)勢(shì)最明顯，此時(shí)的陰極溫度高，熱屏筒溫度低，溫差也最大，熱量散失最小，能量利用率高。

圖1　陰極和可伐筒溫度隨筒厚變化曲線

　　從圖中還可發(fā)現(xiàn)，熱屏筒厚度越小，陰極溫度較高且熱屏筒溫度較低，熱量散失更小。熱屏開(kāi)槽能提高熱利用效率，翟亮對(duì)行波管陰極-熱子組件內(nèi)側(cè)熱屏熱流大的地方開(kāi)槽，陰極基體和熱子的溫度都有大幅提升，溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間由250s縮短至170s，熱子的溫度由965℃ 提高至1047℃，提高了82℃。

　　電子五所宋芳芳對(duì)電子槍的陰極支撐桿的材料和個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化能縮短電子槍的熱啟動(dòng)時(shí)間，圖2為三種優(yōu)化方法優(yōu)化以后電子槍的啟動(dòng)時(shí)間，方法1：把陰極支撐桿從6只改為3只，材料不變;方法2：把陰極支撐桿材料從鉭變?yōu)榭煞?J36，支撐桿根數(shù)不變;方法3：把陰極支撐桿從6只改為3只，材料從鉭變?yōu)榭煞?J36。改進(jìn)前陰極達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度985℃需要160s，三種優(yōu)化方法陰極達(dá)到985℃的時(shí)間分別是120，115，100s，提高了電子槍的快熱性能。

圖2　三種優(yōu)化方法的陰極表面溫度模擬結(jié)果

　　電子槍各連接部件接觸熱阻對(duì)熱性能有重要影響，胡太康對(duì)此進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)氧化鋁粉與陰極、支撐筒之間的接觸熱阻是引起熱子溫度大幅提升的主要因素。圖3為鉬筒溫度隨加熱功率變化曲線，可以看出考慮接觸熱阻時(shí)，鉬筒溫度更低，熱阻阻礙了熱流向鉬筒傳遞。圖4為不同接觸熱阻條件下的的鉬筒與熱子溫度隨加熱功率變化曲線，理想情況下即不考慮接觸熱阻時(shí)鉬筒與熱子溫度差很小(曲線3、4)，考慮接觸熱阻后鉬筒與熱子溫度差很大(曲線5、6)，接觸熱阻嚴(yán)重阻礙了熱子的熱量向鉬筒傳導(dǎo)，因此優(yōu)化接觸面?zhèn)鳠嵝阅苁歉倪M(jìn)陰極熱子組件工作性能的一條重要途徑。

圖3　不同功率下的鉬筒溫度

　　接觸面積對(duì)接觸熱阻影響很大，翟亮比較了內(nèi)熱屏筒和支撐筒整面焊接接觸結(jié)構(gòu)Ⅰ和部分焊接接觸結(jié)構(gòu)Ⅱ兩種不同接觸面積的陰極組件的穩(wěn)態(tài)溫度分布和啟動(dòng)時(shí)間如表1所示，由表可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Ⅱ陰極和熱子溫度比結(jié)構(gòu)Ⅰ陰極組件溫度高出100℃以上，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)間比全接觸結(jié)構(gòu)縮短40s，究其原因是減小接觸面積增大接觸熱阻能減小熱流散失，提高能量利用率，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提高熱子的加熱效率，延長(zhǎng)陰極組件的壽命，提高行波管的穩(wěn)定性和可靠性。

　　熱子對(duì)陰極的不同加熱方式對(duì)陰極熱效率有重要影響，熱子和鉬筒之間有填充陶瓷的組件式陰極熱傳導(dǎo)效率高，鉬筒和熱子之間無(wú)填充陶瓷的非組件陰極依靠熱輻射傳熱效率相對(duì)較低：文獻(xiàn)表明組件式陰極的陰極溫度較高，陰極和熱子溫差較小，因此組件式陰極比非組件式陰極加熱效率高。文獻(xiàn)表明當(dāng)陰極尺寸一定時(shí)，選擇與陰極直徑相近的陰極支撐筒的尺寸參數(shù)將可以提高陰極熱子組件的加熱效率。以上介紹了對(duì)電子槍的陰極支撐筒、支撐桿、熱屏筒的結(jié)構(gòu)和材料的改變，熱流較大接觸面的接觸面積及組件和非組件的裝配方式的優(yōu)化等，顯著提高了熱利用率及陰極的快熱性能，為制成熱性能更加優(yōu)越的行波管提供了依據(jù)。

　　對(duì)于慢波結(jié)構(gòu)而言，由于聚集性能不好引起的高速電子打到螺旋線內(nèi)表面上及螺旋線自身的歐姆損耗，引起螺旋線溫度急劇上升，影響效率甚至損壞行波管。早期國(guó)外利用解析計(jì)算的方法推導(dǎo)了不同電子截獲率和高頻損耗下的慢波線溫度分布計(jì)算公式，求解出螺旋線與夾持桿的溫度場(chǎng)的分布情況。此后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又利用有限元法分析了螺旋線的溫升，并且考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)的非線性及接觸熱阻對(duì)溫升的影響計(jì)算出螺旋線的溫升。對(duì)慢波結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的計(jì)算。國(guó)內(nèi)韓勇和劉燕文為提高螺旋線行波管慢波組件的散熱性能在裝配方法、組件材料以及夾持桿的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行大量深入的研究，如不同裝配方法制備的螺旋線慢波組件的散熱性能的影響，夾持桿的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)散熱性能的影響。不同材料的管殼對(duì)其性能的影響。對(duì)慢波結(jié)構(gòu)中的界面熱阻的研究。

　　收集極部分用于電子注回收，散熱不好會(huì)導(dǎo)致行波管燒毀。近年來(lái)收集極的熱分析主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、接觸熱阻和散熱結(jié)構(gòu)對(duì)收集極溫度場(chǎng)分布的影響。散熱結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性有重要影響，謝松廷通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化電極與磁環(huán)的接觸寬度改善散熱途徑。接觸熱阻也是造成收集極具有較高溫升的一個(gè)重要因素，李延威分析了接觸熱阻對(duì)收集極熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)接觸熱阻明顯地阻礙了熱量的散失。綜上所述，絕緣陶瓷主要選擇高熱導(dǎo)率材料，電極采用高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，同時(shí)還具有良好的焊接性能和真空密封性能材料，如無(wú)氧銅，同時(shí)應(yīng)注重改善加工工藝和裝配工藝以降低接觸熱阻的影響。另外采用輻射系數(shù)較大的翼片和增大輻射面積對(duì)收集極的散熱起到重要作用。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)前行波管向超寬頻帶、大功率、多功能、高可靠性和長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展，需要不斷提高和改善行波管的綜合性能使其具有更高的效率、更好的穩(wěn)定性和更好的應(yīng)用靈活性。本文根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于行波管所做研究工作進(jìn)行了分析總結(jié)，主要包括熱分析、熱力耦合分析、常溫振動(dòng)分析及高溫振動(dòng)分析，應(yīng)用新型導(dǎo)熱材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，探索新型加工裝配工藝，改善散熱環(huán)境，降低熱損耗，降低熱變形，提高熱特性及抗振性能。目前行波管的高溫振動(dòng)分析還局限于對(duì)電子槍部件的模態(tài)分析，因此行波管整管在溫度和振動(dòng)復(fù)合環(huán)境作用下的可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是今后行波管可靠性研究的重點(diǎn)。