本文介紹了一種波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸窗結(jié)構(gòu)工藝，該結(jié)構(gòu)具有良好的抗熱沖擊、抗外力沖擊特性，特別適用于需多次高溫釬焊的耦合腔型行波管，該結(jié)構(gòu)已推廣應(yīng)用于多個(gè)行波管管型，均獲得了較好的使用效果。

　　在微波管中，耦合腔行波管是一類重要的管型，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信等軍事電子裝備。耦合腔行波管的高頻互作用部分采用全金屬慢波結(jié)構(gòu)，慢波系統(tǒng)不用介質(zhì)材料絕緣支撐，因而，其散熱能力很好，可以獲得比螺旋線行波管高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的平均功率;耦合腔行波管不像螺旋線行波管那樣有最高工作電壓限制，因此，耦合腔行波管可以獲得遠(yuǎn)高于螺旋線行波管的峰值功率。耦合腔行波管高峰值功率、大平均功率的特點(diǎn)使其在很多場(chǎng)合都是優(yōu)選管型。

　　小型化一直是軍用電子裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向，這就需要作為雷達(dá)核心器件的行波管尺寸越來越小、重量越來越輕。傳統(tǒng)的耦合腔行波管輸入輸出接口一般均采用波導(dǎo)盒型窗方式。在整機(jī)上使用時(shí)，行波管的輸入端先連接一個(gè)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器再與前級(jí)放大器連接，這就導(dǎo)致行波管的輸入系統(tǒng)占用了整機(jī)很大的空間，不利于整機(jī)的小型化。作為行波管輸入窗，一般功率量級(jí)較小，采用同軸窗輸入完全能滿足使用要求，而且跟波導(dǎo)盒型窗相比，同軸窗不僅尺寸結(jié)構(gòu)小而且頻帶更寬、更容易獲得良好的匹配特性。本文詳述了一種銅波導(dǎo)焊接同軸窗的研制過程及結(jié)果。

1、問題提出

　　在研制之初，為提高設(shè)計(jì)可靠性，直接參考螺旋線同軸窗結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已在螺旋線型行波管中廣泛使用，是經(jīng)過嚴(yán)格環(huán)境試驗(yàn)和用戶長(zhǎng)期使用驗(yàn)證合格的結(jié)構(gòu)，具有較好的可靠性，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：同軸窗的內(nèi)導(dǎo)體采用針封方式，外導(dǎo)體采用外套封方式;窗針選用柔韌性較好的純鎳材料，可通過材料的屈服效應(yīng)減輕使用時(shí)外力對(duì)針封面的損傷。于是設(shè)計(jì)了與波導(dǎo)焊接的同軸窗，原始結(jié)構(gòu)如圖2所示。在課題研制過程中，這種針封同軸窗組件本身的封接成品率很高，但在使用到整管上時(shí)頻繁出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致高頻部件的大批量報(bào)廢，更為嚴(yán)重的是輸入窗的漏氣問題直接影響了項(xiàng)目進(jìn)度。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　從分析新管型與成熟管型結(jié)構(gòu)工藝中的差異著手，查找可能導(dǎo)致同軸窗漏氣的原因。首先，在結(jié)構(gòu)方面，在螺旋線行波管中同軸窗的封接外筒與薄壁長(zhǎng)筒形的三通相連，而在耦合腔行波管中同軸窗的封接外筒與矩形波導(dǎo)的寬邊相連，兩者在焊接應(yīng)力方面可能存在較大差異;其次，在工藝方面，耦合腔行波管與螺旋線行波管相比，其高頻部件的工藝特點(diǎn)是釬焊次數(shù)多，而且同軸窗需在高頻調(diào)試的第一步就釬焊到波導(dǎo)上，這就意味著同軸窗將跟隨高頻部件多次反復(fù)進(jìn)氫爐焊接直至形成完整部件;最后，在使用方面，耦合腔行波管的高頻部件冷測(cè)調(diào)試步驟比螺旋線行波管復(fù)雜很多，在冷測(cè)調(diào)試過程中需對(duì)同軸窗進(jìn)行多次拆卸，也就是說同軸窗需反復(fù)經(jīng)受外力考驗(yàn)。

圖1　螺旋線同軸窗結(jié)構(gòu)

圖2　與波導(dǎo)焊接的同軸窗原始結(jié)構(gòu)示意

　　根據(jù)上述分析，并結(jié)合熱力學(xué)仿真，對(duì)同軸窗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：窗針選用與瓷片熱膨脹系數(shù)更為接近的材料;在匹配特性許可的前提下，在窗針與窗片封接處增加一個(gè)凸臺(tái)，大幅度加大了窗針與窗片的封接面積;縮短窗針的長(zhǎng)度，通過外部插件的協(xié)同設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體的連接;減小波導(dǎo)壁的厚度，降低外部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖3　與波導(dǎo)焊接的同軸窗優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.1、熱分析

　　首先利用ANSYS軟件對(duì)圖1所示螺旋線同軸窗結(jié)構(gòu)和圖2所示與波導(dǎo)焊接的同軸窗原始結(jié)構(gòu)的焊接熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，然后以此為參考進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在計(jì)算時(shí)，將焊料熔化溫度時(shí)的零件狀態(tài)設(shè)為初始狀態(tài)并將焊接面固定，考查組件降至常溫時(shí)窗片上的熱應(yīng)力大小。圖4(a)是螺旋線同軸窗結(jié)構(gòu)，窗片上的熱應(yīng)力分布情況，圖4(b)是與波導(dǎo)焊接的同軸窗原始結(jié)構(gòu)，窗片上的熱應(yīng)力分布情況，圖4(c)是與波導(dǎo)焊接的同軸窗優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，窗片上的熱應(yīng)力分布情況。仿真結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的熱應(yīng)力下降約80%。

圖4　窗片上的熱應(yīng)力分布

　　2.2、結(jié)構(gòu)靜力分析

　　同軸窗在使用過程中須與外部插件多次拆裝。當(dāng)窗針與外部接插件同軸度不好時(shí)，旋轉(zhuǎn)外部接插件等于不斷對(duì)窗針施以外力，需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低窗針與窗片間的拉應(yīng)力。

　　這里同樣使用了ANSYS軟件。計(jì)算模型如圖5(a)所示，在仿真時(shí)，對(duì)窗針加載固定大小的外力，考查窗片表面的拉應(yīng)力大小。圖5(b)和圖5(c)分別是優(yōu)化前原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)后窗片表面拉應(yīng)力分布圖，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后窗片上的拉應(yīng)力下降了約60%。

　　2.3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，釬焊封接了4個(gè)同軸窗，氣密性檢查全部合格。人為將外部接插件同心度變差，反復(fù)安裝多次后復(fù)檢均無漏氣現(xiàn)象。將上述4個(gè)同軸窗置于氫爐中加熱至800℃后復(fù)檢無漏氣現(xiàn)象，并將此高溫烘烤試驗(yàn)重復(fù)5次后復(fù)檢仍無漏氣現(xiàn)象。這一系列的試驗(yàn)充分證明優(yōu)化后的同軸窗完全能滿足使用要求。

圖5　計(jì)算模型以及優(yōu)化前后窗片表面拉應(yīng)力分布

3、結(jié)論

　　本文通過熱力學(xué)分析完成了一種焊接于波導(dǎo)上的針封同軸窗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)具有良好的抗熱沖擊、抗外力沖擊特性，特別適用于需多次高溫釬焊的耦合腔型行波管，該結(jié)構(gòu)已推廣應(yīng)用于X波段、Ku波段的多個(gè)行波管管型，均獲得了較好的使用效果。