專利名稱：一種用復(fù)合金屬材料制成的天線單元及與其匹配的水冷卻板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是受控磁約束熱核聚變領(lǐng)域的非感應(yīng)加熱和電流驅(qū)動(dòng)裝置，具體地說就是一種用于低混雜波電流驅(qū)動(dòng)天線的由復(fù)合金屬材料制成的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元及與其配合使用的水冷卻板。
背景技術(shù)：
低混雜波驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明為托卡馬克型受控磁約束熱核聚變裝置上最為有效的非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流方法，大型低混雜波系統(tǒng)中使用的天線大多數(shù)是相控多結(jié)波導(dǎo)陣天線。微波傳輸理論表明1)、微波通過相同長(zhǎng)度，但不同寬邊尺寸的矩形波導(dǎo)時(shí)，其相位改變量不同；2)、在矩形波導(dǎo)中傳播TE10波時(shí)，引入與波導(dǎo)寬邊平行的若干金屬板(E面結(jié))將主波導(dǎo)分成若干子波導(dǎo)，不會(huì)破壞原來(lái)的場(chǎng)形分布，即各子波導(dǎo)中傳輸?shù)囊彩荰E10波，且相位和主波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ㄏ辔幌嗤?。相控多結(jié)波導(dǎo)陣就是根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的，如將相鄰子波導(dǎo)間相位差設(shè)計(jì)為90°，則四個(gè)子波導(dǎo)就構(gòu)成了一個(gè)完整的移相周期，若干個(gè)這樣的單元結(jié)構(gòu)組合起來(lái)，便可以構(gòu)成一個(gè)多結(jié)波導(dǎo)陣天線。
在波導(dǎo)陣天線材料的選取上，必須同時(shí)兼顧兩方面的要求一是良好的導(dǎo)電性能，以降低歐姆損耗；二是良好的機(jī)械強(qiáng)度，以保證天線陣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在波導(dǎo)陣材料的選取上，現(xiàn)在通常使用彌散強(qiáng)化銅，或是其它高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率的特種合金材料，這些材料往往是非常昂貴的，使天線制造成本高居不下。
由于制造多結(jié)波導(dǎo)陣的材料的電導(dǎo)率是有限的，那么，當(dāng)在波導(dǎo)陣中通過微波能量時(shí)，材料的歐姆損耗便會(huì)產(chǎn)生熱量，隨著微波功率加大，以及試驗(yàn)時(shí)間加長(zhǎng)，歐姆損耗產(chǎn)生的熱量便會(huì)不斷累積，造成波導(dǎo)陣的溫度急劇上升。當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度就會(huì)下降，從而影響到天線陣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，必須給波導(dǎo)陣配以合適的冷卻裝置，國(guó)際上通常采用的都是用水冷卻的方式。波導(dǎo)陣和水冷卻裝置焊接成一體，就構(gòu)成了一個(gè)天線單元或整個(gè)天線。國(guó)際上現(xiàn)有的多結(jié)波導(dǎo)陣天線中，水冷板裝置通常是在一塊較厚的不銹鋼板上，沿天線陣縱向方向，開鑿若干條管狀通道，在通道內(nèi)通水，這樣，波導(dǎo)陣內(nèi)產(chǎn)生的熱量，通過熱傳導(dǎo)傳到冷卻水板上，再由通道里的水流帶走，從而達(dá)到散熱的目的。但這樣的冷卻水板的冷卻效率很低，為了保證足夠的散熱量，就必須把冷卻水板加厚，以獲得足夠大口徑的冷卻水通道。遺憾的是，水冷板加厚，其上的渦流就會(huì)隨之增大。渦流增大，一方面會(huì)造成更多的熱損耗，另一方面，渦流在托卡馬克強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生非常大的扭曲力矩，影響天線的穩(wěn)定性，使天線的裝配結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問題，提供一種低成本、用復(fù)合金屬材料制成的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元，以及一種冷卻效率比現(xiàn)有技術(shù)大為提高的用復(fù)合金屬材料制成的用于該天線單元的冷卻水板。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種用復(fù)合金屬材料制成的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元，包括一個(gè)波導(dǎo)陣單元和兩塊冷卻水板，所述波導(dǎo)陣單元由八個(gè)子波導(dǎo)沿窄邊并列固定為一個(gè)整體構(gòu)成，該波導(dǎo)陣單元的兩個(gè)窄邊上分別安裝有一塊冷卻水板，其特征在于所述子波導(dǎo)的波導(dǎo)窄壁材料選用無(wú)氧銅，寬壁材料則選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”(TU1/SS/TU1)三層爆炸復(fù)合板制成。
由于波導(dǎo)陣子波導(dǎo)窄壁材料選用無(wú)氧銅，寬壁材料選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”(TU1/SS/TU1)，無(wú)氧銅作為子波導(dǎo)內(nèi)壁材料，保證了良好的導(dǎo)電特性，降低了通波時(shí)的歐姆損耗。而寬壁材料選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”三層爆炸復(fù)合板的優(yōu)點(diǎn)在于不銹鋼板夾在兩層無(wú)氧銅板中間，保證了復(fù)合板的整體剛性，使天線陣具有很好的機(jī)械穩(wěn)定性，由于微波的趨膚效應(yīng)，該不銹鋼夾層不會(huì)對(duì)微波傳輸產(chǎn)生任何影響。
一種用復(fù)合金屬材料制成的用于所述多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元的水冷卻板，包括一條以上沿波導(dǎo)陣縱向方向分布的溝槽和用于封閉溝槽的金屬蓋板，其特征在于所述水冷卻板的水槽選用的是“不銹鋼/無(wú)氧銅”雙層復(fù)合板材料，溝槽內(nèi)設(shè)置有金屬波紋板，該金屬波紋板與溝槽、蓋板固定連接為一整體。
冷卻水在溝槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，溝槽內(nèi)的波紋板能起到紊流和加大散熱面積的雙重功效，極大地提高了冷卻效率。組成冷卻水板的三個(gè)部件—溝槽、波紋板和蓋板，是通過焊接等方法連成一個(gè)整體的，從而使該冷卻板的強(qiáng)度得以增強(qiáng)，提高了耐壓力能力。由于這兩方面的特點(diǎn)，就可以把該冷卻水板的厚度大大減小，從而減小了其上可能產(chǎn)生的渦流。而且由于冷卻水板水槽選用的是“不銹鋼/無(wú)氧銅”雙層復(fù)合板材料，其無(wú)氧銅板基層和無(wú)氧銅做成的波導(dǎo)陣窄壁互相連接，由于無(wú)氧銅的可塑性強(qiáng)，使得二者的貼合非常嚴(yán)密，進(jìn)一步增強(qiáng)了二者之間的熱傳導(dǎo)性能。
本發(fā)明的有益效果如下1)、由于本發(fā)明采用無(wú)氧銅和不銹鋼爆炸復(fù)合板材料代替通用的彌散強(qiáng)化銅等高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率特種材料，大幅度地降低了天線的造價(jià)。
2)、本發(fā)明所使用的冷卻水板的冷卻效率大幅度提高，在同樣的散熱要求下，冷卻水板的厚度可以大幅度減薄，從而降低了冷卻水板上可能產(chǎn)生的渦流，簡(jiǎn)化了整個(gè)天線的結(jié)構(gòu)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1是現(xiàn)有的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是現(xiàn)有的多結(jié)波導(dǎo)陣天線水冷板及波導(dǎo)陣結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的水冷板及波導(dǎo)陣結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見附圖1、2，從圖1中可以看出，現(xiàn)有多結(jié)波導(dǎo)陣天線通常由兩塊冷卻板和一個(gè)多結(jié)波導(dǎo)陣組成，三者之間通過焊接的方法聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，多結(jié)波導(dǎo)陣由八個(gè)子波導(dǎo)組成。圖2中的水冷卻板和波導(dǎo)陣均是由單一一種材料制成，在不銹鋼材料做成的冷卻板上，有四條管狀冷卻水通道，其中流過的水流可以把天線上的熱量帶走。但是由于冷卻板厚度的限制，冷卻水通道的口徑無(wú)法開得很大，管狀通道也無(wú)法開得太多，這使得它的冷卻效率很低。圖2中，波導(dǎo)陣的寬邊和窄壁都是由彌散強(qiáng)化銅等特種材料做成。
附圖3中，子波導(dǎo)6的波導(dǎo)窄壁3材料選用無(wú)氧銅，寬壁材料4則選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”(TU1/SS/TU1)三層爆炸復(fù)合板制成。冷卻水板由蓋板2、波紋板5和水槽1三部分焊接而成，蓋板2、波紋板5均由不銹鋼制成，冷卻水板的不銹鋼層7上銑有很寬的水槽1，作為冷卻水通道，水槽1的無(wú)氧銅板基層8與波導(dǎo)陣窄壁3焊接在一起，使得二者之間可以很好地傳導(dǎo)熱量。與圖2中的現(xiàn)有冷卻水板相比，可以清楚地看出，本發(fā)明具有大得多的冷卻通道和散熱面積。波導(dǎo)陣子波導(dǎo)寬壁材料4為“TU1/SS/TU1”三層爆炸復(fù)合板，子波導(dǎo)6的內(nèi)壁材料是TU1，它具有很高的電導(dǎo)率，通波時(shí)產(chǎn)生的歐姆損耗非常小，由于微波的趨膚效應(yīng)，復(fù)合板中間的不銹鋼板SS對(duì)微波傳輸沒有任何影響，但不銹鋼夾層大大地增強(qiáng)了天線陣的機(jī)械強(qiáng)度。
冷卻水板制作過程如下在一塊由無(wú)氧銅TU1和不銹鋼SS通過爆炸復(fù)合而成的雙層復(fù)合板之不銹鋼層上，用機(jī)械加工的方法，沿波導(dǎo)陣縱向方向，銑出兩條幾十毫米寬，數(shù)毫米深的溝槽1，在溝槽1內(nèi)焊接上用不銹鋼薄板壓制而成的波紋板5，再在溝槽1及溝槽1內(nèi)的波紋板5上用氬弧焊的辦法焊接上一塊不銹鋼蓋板2，即可得到本發(fā)明所述的水冷卻板。
制作本發(fā)明是將八個(gè)子波導(dǎo)6沿窄邊并列，用真空釬焊的方法焊接到一起，組成一個(gè)波導(dǎo)陣單元，再在波導(dǎo)陣單元的兩個(gè)窄邊上分別焊接一塊冷卻水板，這樣，一個(gè)波導(dǎo)陣單元和兩塊冷卻水板便構(gòu)成了一個(gè)所述的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明所述的一種用復(fù)合金屬材料制成的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元，包括一個(gè)波導(dǎo)陣單元和兩塊水冷卻板，所述波導(dǎo)陣單元由八個(gè)子波導(dǎo)(6)沿窄邊并列固定為一個(gè)整體構(gòu)成，該波導(dǎo)陣單元的兩個(gè)窄邊上分別安裝有一塊水冷卻板，其特征在于所述子波導(dǎo)(6)的波導(dǎo)窄壁(3)材料選用無(wú)氧銅(TU1)，寬壁(4)材料選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”(TU1/SS/TU1)三層爆炸復(fù)合板制成。
2.一種用復(fù)合金屬材料制成的與權(quán)利要求1所述多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元匹配的水冷卻板，包括一條以上沿波導(dǎo)陣縱向方向分布的溝槽(1)和用于封閉溝槽(1)的金屬蓋板(2)，其特征在于所述水冷卻板的水槽(1)選用的是不銹鋼/無(wú)氧銅(SS/TU1)雙層復(fù)合板材料，溝槽(1)內(nèi)設(shè)置有金屬波紋板(5)，該金屬波紋板(5)與溝槽(1)、蓋板(2)固定連接為一整體。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種用于低混雜波電流驅(qū)動(dòng)天線的由復(fù)合金屬材料制成的多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元及與其配合使用的水冷卻板，所述多結(jié)波導(dǎo)陣天線單元包括一個(gè)由八個(gè)子波導(dǎo)(6)構(gòu)成的波導(dǎo)陣單元和冷卻水板，所述子波導(dǎo)(6)的波導(dǎo)窄壁(3)材料選用無(wú)氧銅(TU1)，寬壁(4)材料選用“無(wú)氧銅/不銹鋼/無(wú)氧銅”(TU1/SS/TU1)三層爆炸復(fù)合板制成。所述水冷卻板，包括溝槽(1)和用于封閉溝槽(1)的金屬蓋板(2)，水槽(1)選用的是不銹鋼/無(wú)氧銅(SS/TU1)雙層復(fù)合板材料，溝槽(1)內(nèi)設(shè)置有金屬波紋板(5)，該金屬波紋板(5)與溝槽(1)、蓋板(2)固定連接為一整體。本發(fā)明大幅度地降低了天線的造價(jià)，而且冷卻水板的冷卻效率大幅度提高，可以大幅度減薄，簡(jiǎn)化了整個(gè)天線的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01P3/00GK1606386SQ20041006568
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月9日
發(fā)明者劉甫坤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所