CN106450633B - 一种正交场放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种正交场放大器，包括直波导管和垂直于所述直波导管且具有冷却水套的阳极，所述冷却水套的入水管管体的部分管体和/或冷却水套的出水管管体的部分管体分别与所述直波导管接触。本发明所述技术方案在不改变原阳极冷却水套结构以及正交放大器整体结构的前提下，通过增加冷却水入水管管体和冷却水出水管管体，改变入水管接头和出水管接头的位置，在不增加另外的冷却通道和复杂度的情况下，实现阳极和直波导管的同时冷却，保证了直波导管温度平衡，消除了直波导管温度过度升高的可能性，保护内导体不被烧毁，在不影响CFA阳极冷却效果的前提下有效提高CFA的工作稳定性和可靠性。

Description

一种正交场放大器
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件技术领域，特别是涉及一种用于S波段大平均功率的正交场放大器(CFA)。
背景技术
正交场放大器(Crossed-Field Amplifier CFA)是工作在微波频率范围内的一种高频信号宽带放大器，它能够提供相当大的输出功率，且效率很高。通常电子带宽的标称值为10-15％，在已经获得应用的CFA峰值功率可达数MW，平均功率达数十千瓦，在一些使用返波电路和工作在低电压的CFA中，效率常常超过70％。CFA主要应用于军用情报雷达、警戒雷达、制导雷达、搜索雷达等场合，作为雷达发射机的末级功率放大器使用。
随着CFA整机要求脉冲宽度和工作比的不断增加，要求CFA输出的平均功率越来越大，CFA的散热设计将日益突出，可以说在很大程度上大功率CFA的热设计决定了CFA工作和稳定性及可靠性。从CFA工作原理上来说，与热设计有关的部件包括阳极热设计、阴极与控制极热设计和输能组件热设计三个方面，随着CFA平均功率的不断提高，其总体热设计与部件热设计在很大程度上决定了CFA工作的性能及可靠性。
大功率S波段CFA通常采用矩形波导实现微波能量的输入输出，当波导壁材料(无氧铜)的电导率σ为有限值时，因趋肤效应在波导内壁势必引起高频损耗，对波导壁产生加热现象。当所传输的平均功率不大时，例如平均功率小于10kW，波导壁加热现象不明显，发热不严重，CFA工作时直波导温度不高，可以依靠自然冷却实现热平衡，因此可不予考虑直波导管的强迫冷却问题，故S波段CFA的阳极冷却水管采用阳极直接引入引出的常规冷却方式，如图1所示，阳极水套的冷却水接头邻近阳极水套设置。
但当直波导传输的微波平均功率加大时，波导壁会因欧姆加热导致高频损耗加大，从而导致波导管温度升高，这会严重影响CFA工作的稳定性和可靠性，甚至会烧毁管内内导体。即当工作比和平均功率较大时，波导管壁的欧姆加热将必须予以考虑，需采用强迫冷却方式来保证直波导管温度不会过度升高，以保证管子工作的稳定性并保护管内内导体不被烧毁。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于S波段大平均功率的正交场放大器(CFA)，以解决S波段大平均功率正交场放大器(CFA)输能直波导管发热的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种正交场放大器，包括直波导管和垂直于所述直波导管且具有冷却水套的阳极，所述冷却水套的入水管管体的部分管体和/或冷却水套的出水管管体的部分管体分别与所述直波导管接触。
优选地，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别焊接在所述直波导管上。
优选地，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别垂直于所述直波导管的纵向设置。
优选地，直波导管是矩形直波导管。
优选地，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别与所述直波导管的宽边接触。
优选地，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体垂直于与所述直波导管的纵向与所述直波导管宽边接触，接触长度为所述直波导管宽边长度的1/2～3/4。
优选地，入水管管体的延伸部分的端部和出水管管体的延伸部分的端部分别设有水管接头。
优选地，所述入水管管体和出水管管体分别采用无氧铜材料制成。
优选地，所述入水管管体和出水管管体分别位于阳极两侧与直波导管接触。
本发明的有益效果如下：
根据本发明的技术方案，在不改变原阳极冷却水套结构以及正交放大器整体结构的前提下，通过增加冷却水入水管管体和冷却水出水管管体，改变入水管接头和出水管接头的位置，在不增加另外的冷却通道和复杂度的情况下，实现阳极和直波导管的同时冷却，保证了直波导管温度平衡，消除了直波导管温度过度升高的可能性，保护内导体不被烧毁，在不影响CFA阳极冷却效果的前提下有效提高CFA的工作稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出现有技术用于S波段大平均功率正交场放大器输能直波导管散热方案的示意图；
图2示出本发明用于S波段大平均功率正交场放大器输能直波导管散热方案的示意图。
附图标号
101、阳极水套，102、直波导管，103，入水接头，104、出水接头；201、阳极水套，202、直波导管，203、入水接头，204、出水接头，205、入水管管体，206、出水管管体。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，传统正交放大器包括直波导管102和垂直于所述直波导管102且具有阳极水套101的阳极。冷却水套的入水管和出水管的管口靠近冷却水套外表分别设有接头。在正交放大器传输微波过程中，如果传输的平均功率小于10kW，波导壁加热现象不明显，发热不严重，则不需要考虑对直波导管的冷却，但是，如果直波导管传输微波的功率大于10kW或远远大于10kW时，波导壁会因欧姆加热导致高频损耗加大，从而导致波导管温度升高，高温直接严重影响正交放大器的稳定性和可靠性，更严重可能会导致烧毁管内内导体。此时，采用现有正交放大器的冷却系统则无法保证传输微波的稳定性和安全性。
本发明在不改变现有正交放大器的基础结构的基础上，对冷却系统做了一定的改进，以使在冷却阳极的同时对直波导管进行冷却，从而对传输高功率微波的直波导管进行有效散热。
图2示出一种S波段正交场放大器，包括矩形的直波导管202和垂直于所述直波导管202且具有冷却水套201的阳极。冷却水套201的入水管口连接有延伸的入水管管体205和延伸的出水管管体206。入水管管体205的部分管体和出水管管体206的部分管体，例如位于阳极两侧，分别与所述直波导管202接触，以实现对直波导管202的散热。
与常规结构相似，带有冷水套的阳极固定在矩形直波导管202的宽边上。本发明中入水管管体205的一部分管体和出水管管体206的一部分管体优选分别垂直于所述矩形直波导管202的纵向设置。其中，直波导管202的纵向指的是：微波在直波导管202中传播的方向。优选地，为了节省使用空间，也为了加大散热面积，更加方便的布置入水管管体205和出水管管体206，本方案中将所述入水管管体205的部分管体和所述出水管管体206的部分管体设置在矩形直波导管202的宽边上，接触长度为所述直波导管宽边长度的1/3～3/4。
为了更好的固定所述入水管管体205和所述出水管管体206，并为了提高散热效率，优选通过焊接的方式固定在所述直波导管202上。
本发明中，冷却水套的入水管管体和出水管管体的水管接头分别设置在管体延伸部分远离冷却水套的端部。
本发明中所述入水管管体205和出水管管体206采用高导热材料制成，优选地，采用无氧铜材料制成。
下面通过一组实施例对本发明做进一步说明。
本发明的核心出发点是利用现有阳极冷却水套，改变其引入引出位置关系，在不增加另外的冷却通道和复杂度的情况下，兼顾实现直波导管冷却，保证了直波导管温度不会过高，内导体不致烧毁，且不构成对CFA阳极冷却效果的影响。
为实现阳极冷却效果，对阳极冷却水管进水温度有控制要求，一般低于25℃。将阳极的冷却水套的入水管管体205延长，并向直波导管方向弯曲，弯曲角度以刚好与直波导管202外壁相互接触，接触面长度例如为直波导管202宽边边长1/2左右，保持原有水管接头的结构和类型不变。为减小冷却水管与直波导壁间的接触热阻，采用钎焊方式将冷却水套的入水管管体205与直波导管202外壁焊接，焊接面积基本为水管与直波导管宽边表面的接触面积。这样，当对CFA阳极进行冷却时，可同时兼顾对直波导管进行冷却。进一步，考虑到能够同时在输出端进一步对直波导管202冷却和整体结构的对称性，将阳极冷却水套的出水管管体206也进行延长，并向直波导管方向弯曲，弯曲角度以刚好与直波导管202外壁相互接触，接触面长度例如为直波导管宽边边长1/2左右，保持原有水管接头不变。同样，为减小冷却水套的出水管管体206与直波导管壁间的接触热阻，采用钎焊方式将出水管管体206与直波导管外壁焊接，焊接面积基本为水管与直波导面的接触面积，这样，当对CFA阴极进行冷却时，同时可直接兼顾直波导管进行冷却。图2所示为本发明所实施的大平均功率CFA冷却方案，图中203为入水管的接头，图中204为出水管的接头，图2中入水管管体205和所述出水管管体206与矩形直波导管202宽边接触的位置为钎焊位置。
通常情况下直波导管不冷却时温度会达到80-90度，通过本发明用阳极冷却水管冷却后一般不超过40度。相对于阳极冷却功率来说，直波导管的耗散功率很小，因此，不必调整阳极的水压、流速等条件，即可同时对直波导管进行冷却。
本发明虽然以S波段正交场放大器为例进行了说明，本领域技术人员可以理解，本发明的技术方案同样可以应用于其他波段的正交场放大器。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种正交场放大器，包括直波导管和垂直于所述直波导管且具有冷却水套的阳极，其特征在于，
所述冷却水套的入水管管体的部分管体和/或冷却水套的出水管管体的部分管体分别与所述直波导管接触；
所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别焊接在所述直波导管上。
2.根据权利要求1所述的正交场放大器，其特征在于，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别垂直于所述直波导管设置。
3.根据权利要求1所述的正交场放大器，其特征在于，直波导管是矩形直波导管。
4.根据权利要求3所述的正交场放大器，其特征在于，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体分别与所述直波导管的宽边接触。
5.根据权利要求3所述的正交场放大器，其特征在于，所述入水管管体的部分管体和所述出水管管体的部分管体垂直于与所述直波导管与所述直波导管宽边接触，接触长度为所述直波导管宽边长度的1/2~3/4。
6.根据权利要求1所述的正交场放大器，其特征在于，入水管管体的延伸部分的端部和出水管管体的延伸部分的端部分别设有水管接头。
7.根据权利要求1所述的正交场放大器，其特征在于，所述入水管管体和出水管管体分别采用无氧铜材料制成。
8.根据权利要求1所述的正交场放大器，其特征在于，所述入水管管体和出水管管体分别位于阳极两侧与直波导管接触。
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