CN102446676A - 一种螺旋线慢波结构 - Google Patents

Abstract

一种螺旋线慢波结构，属于微波真空电子技术领域。包括一个螺旋线、一个管壳和n(n≥2)个介质夹持杆；螺旋线内径为a、外径为b、螺距为p，由矩形截面的带状金属线绕制而成；其中矩形截面的长度s＝b-a、宽度为w，且s/w≥1；螺旋线外表面开有n条平行于螺旋线中心轴线且均匀分布的槽；介质夹持杆与管壳相接触的侧面形状与管壳的内表面相适应，与螺旋线相接触的侧面形状与螺旋线外表面开出的槽的形状相适应，使得介质夹持杆能够将螺旋线固定于管壳内部并保持二者中心轴线一致。本发明提供的螺旋线慢波结构采用较厚的螺旋线，使得慢波结构耐电子轰击能力增强、结构更加牢固、可靠性增强；同时由于介质夹持杆与螺旋线外表面的接触面积更大，使得慢波结构的散热能力进一步提高。

Description

一种螺旋线慢波结构

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，涉及行波放大器或振荡器中的慢波结构。

背景技术

行波放大器或振荡器是利用电磁行波与电子注互作用，使电磁波得到放大的器件。为使互作用能够发生，需要把电磁波的相速降到与电子注的速度相同，器件中使用了慢波结构如螺旋线来传播电磁波。电磁波在慢波结构中传输的路径大于慢波结构的轴向距离，从而使电磁波的相速与电子注的速度几乎相同，这时电子注的直流能量转换成电磁波的能量，实现了电磁波的放大。慢波结构是行波放大器或振荡器中能量交换的关键部件，其性能的优劣直接决定放大器或震荡器的输出功率。随着电子技术的迅速发展，对同时具有宽频带和大功率的行波管的要求越来越迫切，尤其是输出功率必须进一步提高。

螺旋线慢波结构一般由几个电绝缘的夹持杆支撑在金属管壳内，它是由矩形截面的金属带状线按一定螺旋角绕一定半径旋转而成。螺旋线慢波结构的散热能力决定了行波放大器或振荡器输出功率，而影响其散热的因素有三：一是慢波结构各个组件的导热能力；二是各组件之间的接触面积；三是各组件之间的接触热阻的大小。一般从这三个方面来提高螺旋线慢波结构的散热能力。

对中小功率螺旋线行波放大器或振荡器，螺旋线慢波结构一般采用弹压式，热缩式装配方法装配，慢波结构如图1、图2所示。慢波结构由螺旋线(材料为钨、钼等金属)6，夹持杆(材料为氧化铍、氮化硼等)2，以及管壳(材料为不锈钢)1。采用这些装配方式，螺旋线与夹持杆以及夹持杆与管壳之间的接触热阻比较大，并且装配前夹持杆的内表面与螺旋线的外表面呈线接触，装配后夹持杆的内表面与螺旋线的外表面的接触宽度也远小于夹持杆的宽度d，螺旋线向夹持杆以及夹持杆向管壳的散热能力较差。当频率较低时，夹持杆可以做到较大尺寸，夹持杆的内表面可以做成圆弧形，但工艺比较困难。当器件工作在毫米波时，慢波结构的尺寸较小，夹持杆的尺寸相应也较小，因此把夹持杆的内表面做成圆弧形就更加困难。为增加散热夹持杆的外表面与管壳的内表面紧密接触，一般做成圆弧形。

对大功率螺旋线行波放大器或振荡器，一般采用焊接的方式把螺旋线焊接在夹持杆上，然后再使夹持杆与管壳相焊接，来增加螺旋线向外散热的接触面积，以及减小各部件之间的接触热阻。对于焊接装配方式，螺旋线与管壳一般采用铜材料，夹持杆材料为氧化铍。这种方式工艺复杂，且焊料堆积易引起反射，产生振荡的风险。

为增加螺旋线行波放大器或振荡器的输出功率，采用了高导热的金刚石材料，也有报道直接在螺旋线上生长金刚石，然后采用复杂的工艺把金刚石切割成分离的夹持杆，从而提高慢波结构的导热能力。这种方式工艺较为复杂，且价格昂贵，难以普遍应用。

发明内容

本发明提出一种螺旋线慢波结构，该螺旋线慢波结构具有更高的热容量和散热性能。

本发明所采用的技术方案是：

一种螺旋线慢波结构，如图3-5所示，包括一个螺旋线6、一个管壳1和n(n≥2)个介质夹持杆2。所述螺旋线6内径为a、外径为b、螺距为p，由横截面为矩形的带状金属线绕制而成；其中所述矩形截面的长度s＝b-a、宽度为w，且s/w≥1；所述螺旋线6外表面开有n条平行于螺旋线中心轴线且均匀分布的槽(其形状可以是矩形、梯形或三角形)；所述介质夹持杆2与管壳1相接触的侧面形状与管壳1的内表面相适应，与螺旋线6相接触的侧面形状与螺旋线6外表面开出的槽的形状相适应，使得介质夹持杆2能够将螺旋线6固定于管壳1内部并保持二者中心轴线一致。

当螺旋线6外表面开槽的数量为2时，如图6所示，可以采用弹压式、热缩式、焊接等装配方法装配，该慢波结构介质加载少，介质损耗小，可以做成宽频带大功率的行波放大器或振荡器。

当螺旋线6开槽的数量大于等于3时，如图3、图4所示，也可以采用弹压式、热缩式、焊接等装配方法装配，该慢波结构形状与常规结构如图1所示相同，但由于采用了超厚螺旋线，螺旋线慢波结构耐电子攻击更高，结构更牢固；且在超厚螺旋线上开槽，螺旋线与夹持杆的接触面积更大，因此，可以做成宽频带大功率的行波放大器或振荡器。

本发明的有益效果是：

(1)采用螺旋线较厚，使得慢波结构耐电子轰击能力增强、结构更加牢固、可靠性增强；

(2)介质夹持杆与螺旋线外表面的接触面积更大，使得慢波结构的散热能力进一步提高；

(3)由于慢波结构热容量和可靠性的提高，能够全面提升螺旋线慢波结构行波放大器或振荡器的性能。

附图说明

图1是常规螺旋线慢波结构的三维示意图。

图2是常规螺旋线慢波结构横截面示意图。

图3是本发明提供的开槽数为3的螺旋线慢波结构的三维示意图。

图4是本发明提供的开槽数为3的螺旋线慢波结构横截面示意图。

图5是本发明提供的开槽数为3的开槽数为3的螺旋线的三维示意图。

图6是本发明提供的开槽数为2的螺旋线慢波结构横截面示意图。

图7是本发明提供的开槽数为3的螺旋线慢波结构与常规螺旋线慢波结构的热耗散比较图。

具体实施方式

一种螺旋线慢波结构，如图3-5所示，包括一个螺旋线6、一个管壳1和3个介质夹持杆2。所述螺旋线6内径为a、外径为b、螺距为p，由横截面为矩形的带状金属线绕制而成；其中所述矩形截面的长度s＝b-a、宽度为w，且s/w≥1；所述螺旋线6外表面开有3条平行于螺旋线中心轴线且均匀分布的矩形槽；所述介质夹持杆2与管壳1相接触的侧面形状与管壳1的内表面相适应，与螺旋线6相接触的侧面形状与螺旋线6外表面开出的槽的形状相适应，使得介质夹持杆2能够将螺旋线6固定于管壳1内部并保持二者中心轴线一致。

该慢波结构螺旋线材料为钼，管壳材料为不锈钢，夹持杆材料为氧化铍(相对介电常数为6.5)。该螺旋线慢波结构的尺寸参数如图3、图4所示：a为螺旋线内径，b为螺旋线外径，s为螺旋线厚度，c为管壳的内半径，g为管壳的外半径，d为夹持杆的宽度，h为螺旋线开槽的深度，t为螺旋线外径到管壳内径距离，w为螺旋线宽度，p为螺旋线螺距。

设定结构尺寸(mm)：a＝0.35、b＝0.75、c＝1.15、d＝0.3、g＝1.15、h＝0.15、w＝0.4、p＝0.8、t＝0.4，计算中选择慢波结构装配过盈量为0.02mm，螺旋线与夹持杆以及夹持杆与管壳之间的接触热阻为81(℃.mm^2/W)，环境温度为30℃。利用热分析软件ANSYS对慢波结构进行热分析，获得螺旋线上的最高点温度随螺旋线上单位长度耗散功率的关系，并与常规螺旋线慢波结构的热耗散特性进行对比，仿真结果如图7所示。

从图7中曲线5与曲线6的比较可以看出，本发明提供的螺旋线慢波结构，当慢波结构轴向单位长度耗散相同功率时，本发明结构比常规结构具有更低的工作温度，比如当慢波结构轴向单位长度耗散的功率为1.3W时，常规结构中螺旋线的最高工作温度为445.07℃，本发明结构中螺旋线的最高工作温度为281.29℃，两者相差163.78℃。实验表明，当螺旋线的温度超过400℃时，行波放大器或振荡器的可靠性和寿命都会受到影响，过高的温度将导致螺旋线几何尺寸的变形，也将影响慢波线的各项参数，也可能导致周期磁场下降而引起电子注发散，使电子打在慢波线上得几率增加，从而使慢波线的温度进一步提高而形成恶性循环，最终导致器件的损坏。因此，本发明结构比常规结构具有更好的散热能力，可使器件在较大电子轰击下工作。

当螺旋线达到相同温度时，本发明结构可比常规螺旋线慢波结构耗散更大的功率，比如当螺旋线温度为350℃，常规结构可承受的功率约为1W，本发明结构可承受功率约为1.68W，说明本发明结构热容量高；因此，本发明结构可以承受更大的电子注轰击功率和更大的高频损耗功率，保证螺旋线行波放大器或振荡器具有更高的热容量，更高的可靠性，从而可进一步提高螺旋线慢波结构的行波放大器或振荡器的输出功率和整管性能。

Claims (2)

1.一种螺旋线慢波结构，包括一个螺旋线(6)、一个管壳(1)和n个介质夹持杆(2)，n≥2；所述螺旋线(6)内径为a、外径为b、螺距为p，由横截面为矩形的带状金属线绕制而成；其中所述矩形截面的长度s＝b-a、宽度为w，且s/w≥1；所述螺旋线(6)外表面开有n条平行于螺旋线中心轴线且均匀分布的槽；所述介质夹持杆(2)与管壳(1)相接触的侧面形状与管壳(1)的内表面相适应，与螺旋线(6)相接触的侧面形状与螺旋线(6)外表面开出的槽的形状相适应，使得介质夹持杆(2)能够将螺旋线(6)固定于管壳(1)内部并保持二者中心轴线一致。

2.根据权利要求1所述的螺旋线慢波结构，其特征在于，所述螺旋线(6)外表面开出的槽的形状为矩形、梯形或三角形。

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