CN104105330B - 一种高精度高强度低混杂波天线结构和制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度高强度低混杂波天线结构和制作工艺，包括有数个天线单元，每个单元的内部结构相同；天线单元包括有由2件上下板和2件侧板构成的型框，型框的中部横设有1件横板，型框的上、下两部分区域中分别间隔均匀分布有3件与横板垂直的竖隔板；所述的各竖隔板与横板形成的空间正好使上下两层的有源波导和无源波导相互交错分布，天线单元的两侧面加工有半无源波导，组装时两个天线单元上的半无源波导相互贴合，恰好形成一个整的无源波导。本发明结构简单可靠，精度高，强度好，工艺优良，成本低廉，能有效满足低杂波天线在实验时工况需求。

Description

一种高精度高强度低混杂波天线结构和制作工艺

技术领域

本发明主要涉及磁约束聚变技术领域，尤其涉及一种高精度高强度低混杂波天线结构和制作工艺。

背景技术

多年的科研结果证明，低混杂波电流驱动已经是托卡马克聚变装置上最为有效也是最常规的非感应辅助加热手段之一。所谓低混杂波电流驱动是利用相位有一定分布的扁波导阵列组成的天线在感应放电结束后向托卡马克内被约束的等离子体中注入频率相当于等离子体低混杂波频率范围的微波功率，主要通过微波与等离子体中的电子交换能力来维持等离子体电流；或在感应放电过程中注入微波功率进一步驱升等离子体电流。低杂波系统可主要分为微波传输线系统、天线系统和微波源三大部分。

低杂波天线波导位于微波传输系统的最末端，是把能量耦合进等离子体的重要装置。现在学术界有三种天线馈能结构，即常规波导阵，多结波导阵和有源无源交互式波导阵（PAM天线）。在后两种天线结构中，以天线单元作为子集成组件，除辐射端面的圆弧外，每个天线单元的子结构均相同。PAM天线的辐射端口分别是有源波导和无源波导相互间隔，均匀分布，尺寸精确，天线单元馈口尺寸对等离子体的能量耦合有很重要的作用。而且高精度的加工和装配，避免天线内部和端面处微波通道处的装配台阶，配合间隙或尖角等对整套低混杂波电流驱动系统的避免打火提高耦合效率起着至关重要的作用。

天线在实验中会受到微波能量的热沉积，等离子体的热辐射等加热作用，天线温度会很快升高。由于低杂波馈线和天线的微波通道都是铜质材料，温度升高后的天线单元确依然要保持很好的结构强度和尺寸精确度是目前的一个难点。

综上，低混杂波天线的性能将在托卡马克内进行核聚变物理实验时至关重要，有必要设计一套高精度高强度的低混杂波天线单元结构和实现工艺。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高精度高强度低混杂波天线结构和制作工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：包括有数个天线单元，每个单元的内部结构相同；所述的天线单元包括有由2件上下板和2件侧板构成的型框，型框的中部横设有1件横板，型框的上、下两部分区域中分别间隔均匀分布有3件与横板垂直的竖隔板；所述的各竖隔板与横板形成的空间正好使上下两层的有源波导和无源波导相互交错分布，间隔均匀，波导口尺寸精度高，表面质量好，利于微波传导；天线单元的两侧面加工有半无源波导，组装时两个天线单元上的半无源波导相互贴合，恰好形成一个整的无源波导。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的上下板的内端面上设有三个相位台阶，上下板的内端面的两端分别设有一个定位凹台，两件侧板的两端均卡在所述定位凹台中，位置精度和尺寸精度都达到0.02mm，限位精度高。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的横板的前后两个端面上分别间隔设有三个相位台阶、三个定位台阶，竖隔板的一端设有与定位台阶配合的定位凹槽，定位台阶呈凸起的腰形，与竖隔板上定位凹槽为过渡配合间隙，装配时宜用木槌轻敲装配，定位装配精度高。相位台阶除改变微波相位外，还起到限制竖板位置的作用，限位精度0.02mm。

天线单元的各零件之间用限位台阶限制位置，用真空钎焊工艺整体钎接；上下板和横板上设计有限位台阶和相位台阶，用来定位竖隔板和侧板，定位精度0.03mm。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的竖隔板分为3种，每种竖隔板的末端均有无源波导凹槽，装配完成后形成符合物理实验要求的无源波导口。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的竖隔板、侧板和横板均为无氧铜材质，所述的上下板采用316L不锈钢和无氧铜的爆炸复合板材质，316L不锈钢和无氧铜的爆炸复合板材质，既可以保持微波通过面的铜面高导电性，也可以保证板面和天线单元的整体强度，使之在低杂波实验条件下依然保持精度和结构强度。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的天线单元的各零件之间均是采用真空钎焊技术在真空炉内高温焊接而成，设计有专用高精度工装以最大程度减小钎焊变形，钎接强度高，整体精度高，表面质量高，焊接变形小。

所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的天线单元焊后可在侧板或上下板上加工出定位台阶，用以与其他天线单元的定位安装。

一种高精度高强度低混杂波天线的制作工艺，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）在装配平台上用定位工装优先定位上下板，其次安装三种竖隔板，装配时使用木槌轻敲安装，仔细检验各处尺寸，保证位置精度；

（2）依照与3件竖隔板相配合的相位台阶和定位台阶精确定位横板，再依次安装上部的三件竖隔板和上下板，最后安装两侧的侧板，装配时相位台阶、定位台阶和定位凹槽精确地定位每件竖隔板和侧板，形成尺寸精确的波导腔；装配时每两件零件的接触区域均需安装有钎焊焊片，焊片厚度均匀，不影响装配精度；

（3）装配完成的天线单元置入真空钎焊炉内抽真空升温，利用钎料的毛细作用，保证液态钎料能自动地流入到钎焊缝隙中去；

（4）钎焊焊片熔融后均匀流入装配间隙，强度高焊接牢靠，整套零件形成一个框架式整体；

（5）精加工完成的天线单元相互总体组装完成后形成一套高精度的装配件，再采用氩弧焊工艺断续焊加强各天线单元之间的连接；

（6）最后使用加固零件整体加固天线外围，增强结构加强强度，使之在任何实验条件下均可以保持强度和精度。

本发明的优点是：

本发明结构简单可靠，精度高，强度好，工艺优良，成本低廉，能有效满足低杂波天线在实验时工况需求。

附图说明

图1是去除其中一个天线单元的天线结构示意图。

图2是天线单元端面结构示意图。

图3是天线单元横切面上定位台阶和相位台阶分布示意图。

图4为天线单元纵向剖切示意图。

图中标号：1-上下板；2-竖隔板；3-竖隔板；4-竖隔板；5-横板；6-侧板；a为有源波导；b为无源波导；c为相位台阶；d为定位台阶；e为定位凹槽；f为半无源波导；g为定位凹台。

具体实施方式

如图1所示，参见图1，一种高精度高强度低混杂波天线结构，包括有数个天线单元，每个单元的内部结构相同；所述的天线单元包括有由2件上下板1和2件侧板6构成的型框，型框的中部横设有1件横板5，型框的上、下两部分区域中分别间隔均匀分布有3件与横板5垂直的竖隔板2、竖隔板3、竖隔板4；所述的各竖隔板2、3、4与横板5形成的空间正好使上下两层的有源波导a和无源波导b相互交错分布，间隔均匀，波导口尺寸精度高，表面质量好，利于微波传导；天线单元的两侧面加工有半无源波导f，组装时两个天线单元上的半无源波导f相互贴合，恰好形成一个整的无源波导。

上下板1的内端面上设有三个相位台阶c，上下板1的内端面的两端分别设有一个定位凹台g，两件侧板6的两端均卡在所述定位凹台g中，位置精度和尺寸精度都达到0.02mm，限位精度高。

横板5的前后两个端面上分别间隔设有三个相位台阶c、三个定位台阶d，竖隔板2、3、4的一端设有与定位台阶d配合的定位凹槽e，定位台阶d呈凸起的腰形，与竖隔板上定位凹槽e为过渡配合间隙，装配时宜用木槌轻敲装配，定位装配精度高。相位台阶c除改变微波相位外，还起到限制竖板位置的作用，限位精度0.02mm。

天线单元的各零件之间用限位台阶限制位置，用真空钎焊工艺整体钎接；上下板和横板上设计有限位台阶和相位台阶，用来定位竖隔板和侧板，定位精度0.03mm。

竖隔板分为3种，每种竖隔板的末端均有无源波导凹槽，装配完成后形成符合物理实验要求的无源波导口。

竖隔板2、3、4、侧板6和横板5均为无氧铜材质，所述的上下板1采用316L不锈钢和无氧铜的爆炸复合板材质，316L不锈钢和无氧铜的爆炸复合板材质，既可以保持微波通过面的铜面高导电性，也可以保证板面和天线单元的整体强度，使之在低杂波实验条件下依然保持精度和结构强度。

天线单元的各零件之间均是采用真空钎焊技术在真空炉内高温焊接而成，设计有专用高精度工装以最大程度减小钎焊变形，钎接强度高，整体精度高，表面质量高，焊接变形小。

天线单元焊后可在侧板6或上下板1上加工出定位台阶，用以与其他天线单元的定位安装。

参见图2，一种高精度高强度低混杂波天线的制作工艺，包括有以下步骤：

在装配平台上用定位工装优先定位上下板1，其次安装竖隔板2、竖隔板3、和竖隔板4，装配时使用木槌轻敲安装，仔细检验各处尺寸，保证位置精度。依照与3件竖隔板相配合的相位台阶和定位台阶精确定位横板5，再依次安装上部的三件竖隔板和上下板1。最后安装两侧的侧板6。参见图3，装配时相位台阶c、定位台阶d和定位凹槽e、定位凹台g精确地定位每件竖隔板和侧板，形成尺寸精确的波导腔。装配时每两件零件的接触区域均需安装有钎焊焊片，焊片厚度均匀一致性好，不影响装配精度。焊片熔融后均匀流入装配间隙，强度高焊接牢靠，整套零件形成一个框架式整体。内部纵横的横板竖筋和上下板的316L不锈钢足以包装这样一个天线单元整体强度高，变形量小。

参见图4，装配组焊完成后的天线单元有源波导与无源波导间隔均匀尺寸准确，定位精确，焊接强度高；同时内部的各相位台阶按设计尺寸和位置要求分布均匀。

天线单元各零件钎焊完成后，整体加工外形，使单元外形整体尺寸精度高，无焊接变形影响，外形与内腔位置精度高；组装时两个天线单元上的半无源波导相互贴合，恰好形成一个整的无源波导，整体装配后满足微波实验需求。

Claims (7)

1.一种高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：包括有数个天线单元，每个单元的内部结构相同；所述的天线单元包括有由2件上下板和2件侧板构成的型框，型框的中部横设有1件横板，型框的上、下两部分区域中分别间隔均匀分布有3件与横板垂直的竖隔板；所述的各竖隔板与横板形成的空间正好使上下两层的有源波导和无源波导相互交错分布；天线单元的两侧面加工有半无源波导，组装时两个天线单元上的半无源波导相互贴合，恰好形成一个整的无源波导；所述的上下板的内端面上设有三个相位台阶，上下板的内端面的两端分别设有一个定位凹台，两件侧板的两端均卡在所述定位凹台中。

2.根据权利要求1所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的横板的前后两个端面上分别间隔设有三个相位台阶、三个定位台阶，竖隔板的一端设有与定位台阶配合的定位凹槽，定位台阶呈凸起的腰形，与竖隔板上定位凹槽为过渡配合间隙。

3.根据权利要求1所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的竖隔板分为3种，每种竖隔板的末端均有无源波导凹槽，装配完成后形成符合物理实验要求的无源波导口。

4.根据权利要求1所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的竖隔板、侧板和横板均为无氧铜材质，所述的上下板采用316L不锈钢和无氧铜的爆炸复合板材质。

5.根据权利要求1所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的天线单元的各零件之间均是采用真空钎焊技术在真空炉内高温焊接而成。

6.根据权利要求1所述的高精度高强度低混杂波天线结构，其特征在于：所述的天线单元焊后可在侧板或上下板上加工出定位台阶，用以与其他天线单元的定位安装。

7.一种高精度高强度低混杂波天线的制作工艺，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）在装配平台上用定位工装优先定位上下板，其次安装三种竖隔板，装配时使用木槌轻敲安装，仔细检验各处尺寸，保证位置精度；

（2）依照与3件竖隔板相配合的相位台阶和定位台阶精确定位横板，再依次安装上部的三件竖隔板和上下板，最后安装两侧的侧板，装配时相位台阶、定位台阶和定位凹槽精确地定位每件竖隔板和侧板，形成尺寸精确的波导腔；装配时每两件零件的接触区域均需安装有钎焊焊片，焊片厚度均匀，不影响装配精度；

（3）装配完成的天线单元置入真空钎焊炉内抽真空升温，利用钎料的毛细作用，保证液态钎料能自动地流入到钎焊缝隙中去；

（4）钎焊焊片熔融后均匀流入装配间隙，强度高焊接牢靠，整套零件形成一个框架式整体；

（5）精加工完成的天线单元相互总体组装完成后形成一套高精度的装配件，再采用氩弧焊工艺断续焊加强各天线单元之间的连接；

（6）最后使用加固零件整体加固天线外围。