研究慢波系統(tǒng)的散熱性能對改善螺旋線行波管的各項特性具有十分重要的意義。綜合敘述了在慢波系統(tǒng)的散熱性能影響因素和改進(jìn)手段方面的研究結(jié)果。介紹了新型裝配方法和金剛石材料在慢波系統(tǒng)制備中的應(yīng)用, 對各種方法的效果進(jìn)行了分析比較, 并指出新方法和新材料的采用有效的提高了散熱性能, 促進(jìn)了更高性能的行波管的研制。

　　行波管是一種具有寬頻帶的微波管, 它被應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)等眾多的場合。螺旋線慢波系統(tǒng)是螺旋線行波管中能量交換的關(guān)鍵部件, 其性能的優(yōu)劣直接影響著整管的特性。慢波系統(tǒng)散熱性能不僅是決定行波管平均輸出功率的主要因素, 也是直接影響行波管工作穩(wěn)定性與可靠性的重要因素 。隨著行波管性能的提升, 慢波系統(tǒng)上的熱負(fù)荷也逐漸增加, 散熱問題的解決顯得更為重要。當(dāng)螺旋線行波管工作時, 螺旋線由于高頻損耗和電子轟擊而受熱升溫, 熱量通過夾持桿傳導(dǎo)到管殼, 最后由管殼向外散出。慢波組件中材料的導(dǎo)熱能力和接觸處的接觸熱阻是影響慢波系統(tǒng)散熱性能的兩個主要因素。為了改善螺旋線行波管的性能, 需要對慢波系統(tǒng)的散熱問題進(jìn)行深入和細(xì)致的理論分析和實驗研究, 重點考察各種因素的不同作用, 然后適當(dāng)?shù)牟?br />用新型材料和發(fā)展新型裝配方法。目前, 對慢波系統(tǒng)的散熱性能已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究, 得出了很多重要的結(jié)論, 許多新材料、新工藝和新技術(shù)也不斷的應(yīng)用到了高性能螺旋線行波管的制備之中。

1、散熱性能影響因素的研究

1.1、組件材料的影響

　　螺旋線行波管的慢波結(jié)構(gòu)是由螺旋線、夾持桿和金屬管殼組成, 如圖1 所示。這幾部分材料的選擇會影響組件的散熱性能, 從而對整管的電性能產(chǎn)生一定的作用。夾持桿是螺旋線上的熱量向外傳遞的主要導(dǎo)熱路徑, 其材料的變化會對整個慢波系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。常用作夾持桿的材料為氧化鋁、氧化鈹、氮化硼、氮化鋁等。研究表明, 在提供一定耗散功率的情況下, 采用不同材料夾持桿的慢波組件在散熱能力上具有比較明顯的差異。BeO 作為目前普遍采用的夾持桿材料, 給慢波組件帶來了較好的散熱性能; 相比之下, AlN 與BeO 差不多, 又由于BeO 的熱導(dǎo)率隨溫度的變化下降很快, 所以在高溫段AlN 顯出略微的優(yōu)勢。BN 也是常用的材料, 其耗散功率比BeO 桿減少約30%, 這也表明了其散熱能力與BeO 桿的差距。采用Al2O3 的介質(zhì)桿, 組件的導(dǎo)熱能力最差。研究中對性能優(yōu)越的金剛石材料進(jìn)行了預(yù)測, 將其制作為夾持桿進(jìn)行散熱研究, 與BeO 桿的組件比較, 當(dāng)螺旋線達(dá)到相同的溫度時, 組件耗散的功率增加了約50% , 該結(jié)論為金剛石在提高慢波系統(tǒng)散熱方面的應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

　　在慢波系統(tǒng)中, 熱量主要產(chǎn)生于螺旋線, 其材料通常選用熔點高、機(jī)械強(qiáng)度好的鉬絲、鎢絲和錸鎢絲等, 其中鉬絲在行波管上的應(yīng)用十分普遍。另外, 銅絲具有很好的導(dǎo)熱能力, 不過其機(jī)械強(qiáng)度不高, 裝入組件時容易變形, 所以在實際應(yīng)用中很少采用。鉬絲和鎢絲的采用對慢波系統(tǒng)散熱性能的影響不明顯�，F(xiàn)在許多研究機(jī)構(gòu)對鉬或鎢的螺旋線表面鍍銅或鍍金, 以改善慢波結(jié)構(gòu)的高頻損耗特性。研究表明不論是鍍銅膜還是鍍金膜, 或是其他新型的材料,鍍膜層的高熱導(dǎo)率以及低的表面粗糙程度可以提高螺旋線上熱量的散出, 降低螺旋線與夾持桿接觸處的接觸熱阻, 進(jìn)而使螺旋線上熱量更多更快地傳導(dǎo)出去。

　　螺旋線上的熱量最終傳遞到管殼, 由管殼向外散出。管殼的外面與聚焦系統(tǒng)或其他散熱系統(tǒng)相連接, 其材料需要具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、無磁性、良好的熱傳導(dǎo)性和高溫強(qiáng)度, 通常選用蒙乃爾、彌散強(qiáng)化無氧銅、鋯銅、不銹鋼等材料來制作管殼。現(xiàn)在許多行波管的管殼都使用蒙乃爾。管殼向外界的導(dǎo)熱方式會對慢波系統(tǒng)的散熱性能產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)管殼外為聚焦系統(tǒng)時, 以熱傳導(dǎo)的方式將來自夾持桿的熱量傳導(dǎo)出去, 高熱導(dǎo)率的管殼材料可以為慢波系統(tǒng)帶來更好的散熱效果。在蒙乃爾管殼的內(nèi)部嵌高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱能力的金屬材料, 如銅, 可以有效的提高慢波組件的散熱能力, 并保證金屬管殼的高機(jī)械強(qiáng)度。

4、結(jié)論

　　螺旋線慢波系統(tǒng)的散熱性能對行波管的整管特性具有重要影響。全面清晰的分析比較不同材料和不同結(jié)構(gòu)的慢波組件對散熱性能的影響, 為新型改善方法的提出奠定了基礎(chǔ)。接觸熱阻是影響慢波系統(tǒng)熱量傳導(dǎo)的主要因素, 它由接觸處材料和接觸壓力共同決定, 采用新型材料和新型的裝配方法以降低其影響是改善散熱的主要途徑。隨著科技的發(fā)展, 新材料和新工藝被廣泛的應(yīng)用到了慢波系統(tǒng)的制備。無變形熱擠壓法、纏絲裝配法、磁控濺射鍍膜焊接法、真空蒸鍍焊接法和壓力擴(kuò)散焊接法的提出和應(yīng)用, 使得慢波系統(tǒng)的散熱性能得到了極大的改善。金剛石材料具有優(yōu)異的屬性, 將其應(yīng)用在慢波組件的制備中, 可以獲得更好的散熱效果。綜合考慮各個方面的影響因素, 適時引進(jìn)各種先進(jìn)的材料和技術(shù), 必將帶來螺旋線行波管性能的進(jìn)一步飛躍。