專利名稱：一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波放大器或振蕩器中的慢波結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
行波放大器或振蕩器是利用電磁行波與電子注互作用，使電磁波得到放大的器件。為使互作用能夠發(fā)生，需要把電磁波的相速降到與電子注的速度相同，器件中使用了慢波結(jié)構(gòu)如螺旋線來(lái)傳播電磁波。電磁波在慢波結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)穆窂酱笥诼ńY(jié)構(gòu)的軸向距離，從而使電磁波的相速與電子注的速度幾乎相同，這時(shí)電子注的直流能量轉(zhuǎn)換成電磁波的能量，實(shí)現(xiàn)了電磁波的放大。慢波結(jié)構(gòu)是行波放大器或振蕩器中能量交換的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接決定放大器或震蕩器的輸出功率。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)同時(shí)具有寬頻帶和大功率的行波管的要求越來(lái)越迫切，尤其是輸出功率必須進(jìn)一步提高。螺旋線慢波結(jié)構(gòu)一般由幾個(gè)電絕緣的夾持桿支撐在金屬管殼內(nèi)，它是由矩形截面的金屬帶狀線按一定螺旋角繞一定半徑旋轉(zhuǎn)而成。螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力決定了行波放大器或振蕩器輸出功率，而影響其散熱的因素有三一是慢波結(jié)構(gòu)各個(gè)組件的導(dǎo)熱能力； 二是各組件之間的接觸面積；三是各組件之間的接觸熱阻的大小。一般從這三個(gè)方面來(lái)提高螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力。對(duì)中小功率螺旋線行波放大器或振蕩器，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)一般采用彈壓式，熱縮式裝配方法裝配，慢波結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。慢波結(jié)構(gòu)由螺旋線(材料為鎢、鉬等金屬)6， 夾持桿(材料為氧化鈹、氮化硼等)2，以及管殼(材料為不銹鋼)1。采用這些裝配方式，螺旋線與夾持桿以及夾持桿與管殼之間的接觸熱阻比較大，并且裝配前夾持桿的內(nèi)表面與螺旋線的外表面呈線接觸，裝配后夾持桿的內(nèi)表面與螺旋線的外表面的接觸寬度也遠(yuǎn)小于夾持桿的寬度d，螺旋線向夾持桿以及夾持桿向管殼的散熱能力較差。當(dāng)頻率較低時(shí)，夾持桿可以做到較大尺寸，夾持桿的內(nèi)表面可以做成圓弧形，但工藝比較困難。當(dāng)器件工作在毫米波時(shí)，慢波結(jié)構(gòu)的尺寸較小，夾持桿的尺寸相應(yīng)也較小，因此把夾持桿的內(nèi)表面做成圓弧形就更加困難。為增加散熱夾持桿的外表面與管殼的內(nèi)表面緊密接觸，一般做成圓弧形。對(duì)大功率螺旋線行波放大器或振蕩器，一般采用焊接的方式把螺旋線焊接在夾持桿上，然后再使夾持桿與管殼相焊接，來(lái)增加螺旋線向外散熱的接觸面積，以及減小各部件之間的接觸熱阻。對(duì)于焊接裝配方式，螺旋線與管殼一般采用銅材料，夾持桿材料為氧化鈹。這種方式工藝復(fù)雜，且焊料堆積易引起反射，產(chǎn)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。為增加螺旋線行波放大器或振蕩器的輸出功率，采用了高導(dǎo)熱的金剛石材料，也有報(bào)道直接在螺旋線上生長(zhǎng)金剛石，然后采用復(fù)雜的工藝把金剛石切割成分離的夾持桿， 從而提高慢波結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力。這種方式工藝較為復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，難以普遍應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，該螺旋線慢波結(jié)構(gòu)具有更高的熱容量和散熱性能。
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本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，如圖3-5所示，包括一個(gè)螺旋線6、一個(gè)管殼1和η (η彡2) 個(gè)介質(zhì)夾持桿2。所述螺旋線6內(nèi)徑為a、外徑為b、螺距為p，由橫截面為矩形的帶狀金屬線繞制而成；其中所述矩形截面的長(zhǎng)度s = b-a、寬度為w，且s/w > 1 ；所述螺旋線6外表面開有η條平行于螺旋線中心軸線且均勻分布的槽(其形狀可以是矩形、梯形或三角形)； 所述介質(zhì)夾持桿2與管殼1相接觸的側(cè)面形狀與管殼1的內(nèi)表面相適應(yīng)，與螺旋線6相接觸的側(cè)面形狀與螺旋線6外表面開出的槽的形狀相適應(yīng)，使得介質(zhì)夾持桿2能夠?qū)⒙菪€ 6固定于管殼1內(nèi)部并保持二者中心軸線一致。當(dāng)螺旋線6外表面開槽的數(shù)量為2時(shí)，如圖6所示，可以采用彈壓式、熱縮式、焊接等裝配方法裝配，該慢波結(jié)構(gòu)介質(zhì)加載少，介質(zhì)損耗小，可以做成寬頻帶大功率的行波放大器或振蕩器。當(dāng)螺旋線6開槽的數(shù)量大于等于3時(shí)，如圖3、圖4所示，也可以采用彈壓式、熱縮式、焊接等裝配方法裝配，該慢波結(jié)構(gòu)形狀與常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示相同，但由于采用了超厚螺旋線，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)耐電子攻擊更高，結(jié)構(gòu)更牢固；且在超厚螺旋線上開槽，螺旋線與夾持桿的接觸面積更大，因此，可以做成寬頻帶大功率的行波放大器或振蕩器。本發(fā)明的有益效果是(1)采用螺旋線較厚，使得慢波結(jié)構(gòu)耐電子轟擊能力增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加牢固、可靠性增強(qiáng)；(2)介質(zhì)夾持桿與螺旋線外表面的接觸面積更大，使得慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力進(jìn)一步提尚；(3)由于慢波結(jié)構(gòu)熱容量和可靠性的提高，能夠全面提升螺旋線慢波結(jié)構(gòu)行波放大器或振蕩器的性能。


圖1是常規(guī)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖2是常規(guī)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖3是本發(fā)明提供的開槽數(shù)為3的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖4是本發(fā)明提供的開槽數(shù)為3的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖5是本發(fā)明提供的開槽數(shù)為3的開槽數(shù)為3的螺旋線的三維示意圖。圖6是本發(fā)明提供的開槽數(shù)為2的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖7是本發(fā)明提供的開槽數(shù)為3的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)與常規(guī)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的熱耗散比較圖。
具體實(shí)施例方式一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，如圖3-5所示，包括一個(gè)螺旋線6、一個(gè)管殼1和3個(gè)介質(zhì)夾持桿2。所述螺旋線6內(nèi)徑為a、外徑為b、螺距為p，由橫截面為矩形的帶狀金屬線繞制而成；其中所述矩形截面的長(zhǎng)度s = b-a、寬度為w，且s/w彡1 ；所述螺旋線6外表面開有 3條平行于螺旋線中心軸線且均勻分布的矩形槽；所述介質(zhì)夾持桿2與管殼1相接觸的側(cè)面形狀與管殼1的內(nèi)表面相適應(yīng)，與螺旋線6相接觸的側(cè)面形狀與螺旋線6外表面開出的
4槽的形狀相適應(yīng)，使得介質(zhì)夾持桿2能夠?qū)⒙菪€6固定于管殼1內(nèi)部并保持二者中心軸
線一致。該慢波結(jié)構(gòu)螺旋線材料為鉬，管殼材料為不銹鋼，夾持桿材料為氧化鈹(相對(duì)介電常數(shù)為6. 5)。該螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如圖3、圖4所示a為螺旋線內(nèi)徑，b為螺旋線外徑，s為螺旋線厚度，c為管殼的內(nèi)半徑，g為管殼的外半徑，d為夾持桿的寬度，h為螺旋線開槽的深度，t為螺旋線外徑到管殼內(nèi)徑距離，w為螺旋線寬度，ρ為螺旋線螺距。設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(mm):a = 0. 35、b = 0. 75、c = 1. 15、d = 0. 3、g = 1. 15、h = 0. 15、 w = 0. 4、ρ = 0. 8、t = 0. 4，計(jì)算中選擇慢波結(jié)構(gòu)裝配過盈量為0. 02mm,螺旋線與夾持桿以及夾持桿與管殼之間的接觸熱阻為81(°C .mnT2/W)，環(huán)境溫度為30°C。利用熱分析軟件 ANSYS對(duì)慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，獲得螺旋線上的最高點(diǎn)溫度隨螺旋線上單位長(zhǎng)度耗散功率的關(guān)系，并與常規(guī)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的熱耗散特性進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中曲線5與曲線6的比較可以看出，本發(fā)明提供的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，當(dāng)慢波結(jié)構(gòu)軸向單位長(zhǎng)度耗散相同功率時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)比常規(guī)結(jié)構(gòu)具有更低的工作溫度，比如當(dāng)慢波結(jié)構(gòu)軸向單位長(zhǎng)度耗散的功率為1.3W時(shí)，常規(guī)結(jié)構(gòu)中螺旋線的最高工作溫度為 445. 07°C，本發(fā)明結(jié)構(gòu)中螺旋線的最高工作溫度為觀1. ^°C，兩者相差163. 78°C。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)螺旋線的溫度超過400°C時(shí)，行波放大器或振蕩器的可靠性和壽命都會(huì)受到影響，過高的溫度將導(dǎo)致螺旋線幾何尺寸的變形，也將影響慢波線的各項(xiàng)參數(shù)，也可能導(dǎo)致周期磁場(chǎng)下降而引起電子注發(fā)散，使電子打在慢波線上得幾率增加，從而使慢波線的溫度進(jìn)一步提高而形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致器件的損壞。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)比常規(guī)結(jié)構(gòu)具有更好的散熱能力，可使器件在較大電子轟擊下工作。當(dāng)螺旋線達(dá)到相同溫度時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可比常規(guī)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)耗散更大的功率，比如當(dāng)螺旋線溫度為350°C，常規(guī)結(jié)構(gòu)可承受的功率約為1W，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可承受功率約為1.68W，說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)熱容量高；因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以承受更大的電子注轟擊功率和更大的高頻損耗功率，保證螺旋線行波放大器或振蕩器具有更高的熱容量，更高的可靠性， 從而可進(jìn)一步提高螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的行波放大器或振蕩器的輸出功率和整管性能。
權(quán)利要求
1.一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)螺旋線(6)、一個(gè)管殼(1)和η個(gè)介質(zhì)夾持桿0)， η ^ 2 ；所述螺旋線(6)內(nèi)徑為a、外徑為b、螺距為p，由橫截面為矩形的帶狀金屬線繞制而成；其中所述矩形截面的長(zhǎng)度s = b-a、寬度為w，且s/w彡1 ；所述螺旋線(6)外表面開有 η條平行于螺旋線中心軸線且均勻分布的槽；所述介質(zhì)夾持桿O)與管殼(1)相接觸的側(cè)面形狀與管殼(1)的內(nèi)表面相適應(yīng)，與螺旋線(6)相接觸的側(cè)面形狀與螺旋線(6)外表面開出的槽的形狀相適應(yīng)，使得介質(zhì)夾持桿(2)能夠?qū)⒙菪€(6)固定于管殼(1)內(nèi)部并保持二者中心軸線一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述螺旋線(6)外表面開出的槽的形狀為矩形、梯形或三角形。
全文摘要
一種螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域。包括一個(gè)螺旋線、一個(gè)管殼和n(n≥2)個(gè)介質(zhì)夾持桿；螺旋線內(nèi)徑為a、外徑為b、螺距為p，由矩形截面的帶狀金屬線繞制而成；其中矩形截面的長(zhǎng)度s＝b-a、寬度為w，且s/w≥1；螺旋線外表面開有n條平行于螺旋線中心軸線且均勻分布的槽；介質(zhì)夾持桿與管殼相接觸的側(cè)面形狀與管殼的內(nèi)表面相適應(yīng)，與螺旋線相接觸的側(cè)面形狀與螺旋線外表面開出的槽的形狀相適應(yīng)，使得介質(zhì)夾持桿能夠?qū)⒙菪€固定于管殼內(nèi)部并保持二者中心軸線一致。本發(fā)明提供的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)采用較厚的螺旋線，使得慢波結(jié)構(gòu)耐電子轟擊能力增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加牢固、可靠性增強(qiáng)；同時(shí)由于介質(zhì)夾持桿與螺旋線外表面的接觸面積更大，使得慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力進(jìn)一步提高。
文檔編號(hào)H01J23/26GK102446676SQ20111041512
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉漾, 劉魯偉, 宮玉彬, 岳玲娜, 徐進(jìn), 殷海榮, 王文祥, 許雄, 魏彥玉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)