CN100587887C

CN100587887C - 一种螺旋线行波管慢波组件及制备方法

Info

Publication number: CN100587887C
Application number: CN200710064600A
Authority: CN
Inventors: 刘燕文; 韩勇; 刘濮鲲
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2027-03-21
Also published as: CN101271803A

Abstract

本发明公开一种螺旋线行波管慢波组件及制备方法，方法包括步骤：将清洗的介质夹持杆和螺旋线放入金刚石沉积室内；将金刚石沉积在介质夹持杆表面和螺旋线表面形成金刚石薄膜；将具有金刚石薄膜的介质夹持杆和螺旋线及金属管壳固定在装架模具上并挤入金属管壳内。组件，包括介质夹持杆、螺旋线、管壳、第一金刚石薄膜、第二金刚石薄膜。将金刚石沉积在介质夹持杆表面和螺旋线表面，弥补了其他介质夹持杆热导率低的缺陷，提高慢波组件的散热能力，解决了金刚石夹持杆加工难和价格昂贵的问题。

Description

一种螺旋线行波管慢波组件及制备方法

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，涉及散热能力强的螺旋线行波管慢波组件。

背景技术

在前几年的海湾战争中，充分显示了先进的电子技术在战争中的重要作用，在这几次战争中，多国部队使用先进的电子侦察设备和先进的电子干扰设备使伊拉克的电子侦察、干扰和通讯设备变成了“聋子”和“瞎子”，使多国部队的飞机和人员伤亡极少。宽带、高功率行波管是在电子对抗、火控系统和通讯领域中起着关键作用的微波器件，它的性能对这些军用和民用系统具有决定性作用，慢波系统又是决定行波管性能的关键部件，寻求宽带、高效和导热性能更好的慢波结构对满足目前国防需要以及未来的军事电子装备至关重要。螺旋线支撑结构散热能力的研究，一直是提高连续波行波管输出功率容量的主要方向。其中起支撑和绝缘作用的介质夹持杆的性能是关键因素。与氧化铝、氧化铍及氮化硼相比，金刚石的性能要优越得多。金刚石的导热率大大高于目前常用的几种介质材料，尤其是II_a金刚石，在通常温度下其导热率比无氧铜高5倍，而且，除导热性能外，金刚石的机械强度、热膨胀系数、绝缘性能、介电常数、介质损耗等多种性能均比上述材料优良。美国早在上世纪七十年代，就开始金刚石夹持杆的研究工作，他们对三种常用的氧化铍、氮化硼和金刚石夹持杆的热导性能作了量化研究：如它们的导热率，以及陶瓷-金属的界面热阻随温度、压力和表面光洁度的函数关系。研究的结论是：应用金刚石支撑的螺旋线结构能够达到165W/in的功率容量；40-50GHz频段的螺旋线行波管能达到200W的连续波输出功率。八十年代末，美国休斯公司研制的953H空间行波管就是采用金刚石夹持的慢波系统。953H管的频率18-20GHz，输出功率100W，饱和增益42dB，电子效率16.9％，总效率54.6％。雷声公司在七十年代就开始在行波管输出段用立方体天然金刚石颗粒夹持以提高散热性能的研究。美国著名的休斯(Hughes)公司于1991年宣布他们成功研制了一只用金刚石片夹持的K波段高性能大功率行波管953H，他们采用了昂贵的大颗粒天然金刚石，将金刚石切片研磨成小片来组合成76mm长的矩形夹持杆，该杆作为输出段夹持杆，输出段仍用BeO杆夹持，省去了中间段。该管在高频段上获得了输出功率大于75W，增益大于40db的优良性能。

目前国外还有一种镶嵌金刚石的方法。使用CVD法在空心管的固定位置上沉积金刚石，用微型的激光切割机将空心管上切成螺旋线结构，相当于在螺旋线上镶嵌了金刚石支撑块，外部金属管壳由两部分组成，直接装配而成整体的慢波结构。此方法消除了螺旋线与夹持杆之间的接触热阻，大大提高了螺旋线慢波系统的散热能力；无须因为减小热阻而对螺旋线施加国大的压力，同时该方法避免了螺旋线在装配过程中的变形。不过，此方法很不容易实现，对仪器设备要求相当严格，耗费相当大。

但金刚石的价格非常昂贵，并且金刚石的加工非常困难，加工面比较粗糙，而异形介质夹持杆就更难加工。

发明内容

为了解决螺旋线行波管慢波组件的散热问题，本发明的目的是将金刚石沉积在介质夹持杆表面和螺旋线表面即避免了使用纯金刚石介质夹持杆的上述缺点，弥补其他介质夹持杆热导率低的缺陷，为此，提供一种将金刚石薄膜应用于螺旋线行波管慢波组件及制备方法。

为了实现所述的目的，本发明的第一方面，是提供螺旋线行波管慢波组件制备方法，其技术方案如下：

步骤1：将清洗的介质夹持杆和螺旋线放入金刚石沉积室内；

步骤2：将金刚石沉积在介质夹持杆表面和螺旋线表面，形成具有金刚石薄膜的介质夹持杆和螺旋线；

步骤3：将具有金刚石薄膜的介质夹持杆和螺旋线及金属管壳固定在装架模具上；

步骤4：将镀有金刚石薄膜的介质夹持杆和螺旋线挤入金属管壳内，制成螺旋线行波管慢波组件。

为了实现所述的目的，本发明的第二方面，是提供的螺旋线行波管慢波组件，包括介质夹持杆1、螺旋线2、管壳3，管壳3的内壁与介质夹持杆1的外壁连接，介质夹持杆1内壁与螺旋线2外壁连接，还包括：第一金刚石薄膜4位于介质夹持杆1表层中；第二金刚石薄膜5位于螺旋线2的表层中；第一金刚石薄膜4与第二金刚石薄膜5紧密连接。

所述螺旋线2采用钼螺旋线或金属螺旋线制成。

所述介质夹持杆1用氧化铝、或氧化铍、或氮化硼、或其它介质夹持杆制成。

所述第一金刚石薄膜4与第二金刚石薄膜5的厚度为5μm-15μm。

本发明的积极效果：将金刚石沉积在介质夹持杆表面和螺旋线表面，即避免了使用纯金刚石介质夹持杆的上述缺点又弥补了其他介质夹持杆热导率低的缺陷，将金刚石薄膜沉积在介质夹持杆和螺旋线上，提高慢波组件的散热能力。这样避免了金刚石夹持杆的加工难的问题。因为金刚石非常坚硬，因此，加工的金刚石夹持杆的表面比较粗糙，精度也很难达到要求。而异型夹持杆的加工难度就更高，甚至不可能，另一方面，采用夹持杆和螺旋线沉积金刚石薄膜的技术方案降低产品价格。

附图说明

图1.传统的螺旋线慢波结构示意图；

图2.本发明散热能力强的螺旋线慢波结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图2所示，为本发明的沉积金刚石薄膜的介质夹持杆和螺旋线组成的散热能力强的螺旋线慢波结构示意图，本发明用沉积金刚石薄膜的介质夹持杆1和沉积金刚石薄膜的螺旋线2与金属管壳3组成慢波组件。包括：介质夹持杆1、螺旋线2、管壳3、第一金刚石薄膜4和第二金刚石薄膜5，管壳3的内壁与介质夹持杆1表面上金刚石薄膜4紧密接触，介质夹持杆1表面上金刚石薄膜4与螺旋线2外壁表面上金刚石薄膜5紧密接触，第一金刚石薄膜4位于介质夹持杆1表层中；第二金刚石薄膜5位于螺旋线2的表层中；第一金刚石薄膜4与第二金刚石薄膜5紧密连接。螺旋线2采用钼螺旋线或其它金属螺旋线。介质夹持杆1用氧化铝、或氧化铍、或氮化硼、或其它介质夹持杆制成。对介质夹持杆1、螺旋线2尺寸没有特殊限定，可根据使用要求设计。

本发明的螺旋线慢波结构，具体实施例的制备方法如下：

首先，对螺旋线2和介质夹持杆1处理和清洗：螺旋线2选择钼材料，将钼螺旋线放入氢气炉中1100℃烧结40分钟，以达到钼螺旋线定型和去除其表面氧化层的目的；将采用氧化鈹的介质夹持杆1放入马弗炉中1000℃烧结60分钟，这样介质夹持杆1表面的污物就会被氧化而蒸发。然后将清洗的介质夹持杆1和螺旋线2进行金刚石微粉喷砂毛化处理，这样螺旋线介质夹持杆1表面带有金刚石微晶，并将其放入金刚石沉积室内；其次，利用微波PCVD法，将金刚石沉积在介质夹持杆1表面和螺旋线2表面；微波PCVD法采用微波发生器的功率1000W，频率2.45GHz，在放电管抽到真空度为6.5×10^-2Pa时，可以通入CH₄(1-10％)，H₂O(0-7％)，H₂等混合气体。气体流量为15cm³/s，压力为13-530Pa，放电管的温度为600-900℃，沉积时间5-15小时，膜厚5-15微米。第三将介质夹持杆1和螺旋线2及金属管3壳固定在装架模具上；最后，利用冷挤压法，热挤压法或无变形热挤压等方法，将介质夹持杆1和螺旋线2挤入金属管壳3内，制成螺旋线2行波管慢波组件。

本发明可以把慢波组件工作过程中，螺旋线2局部的热量通过介质夹持杆1和螺旋线2表面的高热导率第一金刚石薄膜4和第二金刚石薄膜5迅速传递到金属管壳3，从而避免了螺旋线2局部温度过高而造成螺旋线2放气或烧毁。

本发明从理论和实验上研究了镀上5微米铜和金膜的螺旋线组成的慢波组件的散热性能，结果表明镀膜的螺旋线2组成的慢波组件的散热性能提高了百分之十左右，因此，镀制了第一金刚石薄膜4和第二金刚石薄膜5的螺旋线2和介质夹持杆1组成的慢波组件的散热性能会得到极大提高。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的入在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1、一种螺旋线行波管慢波组件的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

步骤1：将清洗的介质夹持杆和螺旋线放入金刚石沉积室内；

2、根据权利要求1所述组件的制备方法，其特征在于，螺旋线采用钼螺旋线制成。

3、根据权利要求1所述组件的制备方法，其特征在于，介质夹持杆用氧化铝、或氧化铍、或氮化硼、或其它介质夹持杆制成。

4、根据权利要求1所述组件的制备方法，其特征在于，所述金刚石薄膜厚度分别为5μm-15μm。

5、一种螺旋线行波管慢波组件，包括介质夹持杆(1)、螺旋线(2)、管壳(3)，管壳(3)的内壁与介质夹持杆(1)的外壁连接，介质夹持杆(1)内壁与螺旋线(2)外壁连接，其特征在于还包括：

第一金刚石薄膜(4)位于介质夹持杆(1)表层中，形成具有金刚石薄膜的介质夹持杆；

第二金刚石薄膜(5)位于螺旋线(2)的表层中，形成具有金刚石薄膜的螺旋线；

第一金刚石薄膜(4)与第二金刚石薄膜(5)紧密连接；

镀有金刚石薄膜(4)的介质夹持杆(1)和螺旋线(2)挤入管壳(3)内；

所述第一金刚石薄膜(4)与第二金刚石薄膜(5)的厚度分别为5μm-15μm。

6、根据权利要求5所述的组件，其特征在于，螺旋线(2)采用钼螺旋线或其他金属螺旋线制成。

7、根据权利要求5所述的组件，其特征在于，介质夹持杆(1)用氧化铝、或氧化铍、或氮化硼、或其它介质夹持杆制成。