CN111105966B - 一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构和，包括收集极筒组件(2)、紧密贴合于收集极筒组件(2)内部的四瓣圆弧瓷板(1)、位于四瓣圆弧瓷板(1)内部且从上至下依次与圆弧瓷板(1)相接的第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯、第四收集极芯；其中，每一收集极芯各自包括钼铜材料制作的收集极头(3)与无氧铜材料制作的收集极座(4)。本发明适用于大功率脉冲空间行波管，具有结构强度高、散热性能好、装配工艺简单、可靠性高、效率高，可以适应空间环境等特点。该结构满足大功率脉冲空间行波管的应用需求，效率达到77.2％。

Description

一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构

技术领域

本发明涉及一种行波管四级降压收集极结构，尤其涉及一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构。

技术背景

卫星可广泛应用于包括军事对抗、雷达应用、侦察、商业通信、导航及通信、宽带多媒体、气象应用等领域，有力地推动了各项事业的发展。空间行波管放大器作为用来放大末级功率的选择方案之一，备受关注，更普遍被作为各类应用卫星的核心器件。脉冲空间行波管是星载合成孔径雷达发射机的关键部件，位于射频放大链末端，进行末级功率放大。同时由于卫星上可用能源和散热条件的限制，空间行波管必须具有高的能量转化效率，也对空间行波管各部件提出了更高的要求。

发明内容

发明目的：为了满足大功率脉冲空间行波管高效率高可靠的要求，本发明提供一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其结构设计合理、可靠性高、散热性能强，适用于大功率空间行波管应用。

技术方案：本发明的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构包括：收集极筒组件、紧密贴合于收集极筒组件内部的圆弧瓷板、位于圆弧瓷板内部且从上至下依次与圆弧瓷板相接的第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯、第四收集极芯；其中，每一收集极芯各自包括钼铜材料制作的收集极头与无氧铜材料制作的收集极座。

进一步地，所述圆弧瓷板包括四瓣，共同围成筒状。

进一步地，从上至下的四个收集极芯均具有环形锥面结构；四个收集极芯各自的锥面与数值方向的倾斜角度分别为76°、58°、65°和35°。

进一步地，所述第二收集极芯与第三收集极芯的环形锥面结构内壁还具有与水平方向平行的环形内芯；所述环形内芯的下表面具有环状凸起。

进一步地，所述第四收集极芯的环形锥面结构的顶端为非对称斜口；所述非对称斜口所在斜面与水平方向的夹角为18°。

进一步地，所述第四收集极芯还包括平行于水平方向的底座；所述底座位于第四收集极芯的环形锥面结构下方且与对应的收集极座相连。

进一步地，所述底座上表面设有多个倾斜锯齿锥角。每个倾斜锯齿锥角与竖直方向倾斜角度为64°。

进一步地，所述四瓣圆弧瓷板内壁有四个定位凹槽以及三个绝缘槽；四个收集极芯的电极分别嵌入四个定位凹槽处并与对应定位凹槽焊接连接；各绝缘槽位于相邻定位凹槽之间，用于对各相邻收集极芯进行绝缘。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、各级间一改现有平面瓷板结构，采用圆弧瓷板焊接，增大接触面积，大大加强了收集极的散热能力；

2、圆弧瓷板为四瓣，利于散热并便于装配；

3、电极结构设计合理、新颖，通过优化电极倾斜角及入口尺寸、对第二、三收集极芯添加环形内芯且在环形内芯的下表面设置环状凸起，同时第四极采用斜口非对称结构，有效抑制返流，提高收集极效率；

4、设计配套焊接模具，使同一个电极中采用两种材料焊接而成，其中电极头采用钼铜材料以降低二次电子发射，提高收集极效率，收集极电极座采用无氧铜材料以便与圆弧瓷板焊接，加强散热能力，增强了收集极的稳定性与可靠性。

总之，本发明的四级降压收集极结构，适用于大功率脉冲空间行波管，具有结构强度高、散热性能好、装配工艺简单、可靠性高、效率高，可以适应空间环境等特点。该结构满足大功率脉冲空间行波管的应用需求，收集极效率达到 77.2％，已成功应用于效率大于55％，峰值功率大于900W的X波段脉冲空间行波管中。

附图说明

图1为本发明四级降压收集极结构的示意图；

图2为本发明四级降压收集极结构的仿真结果图；

图3为本发明四级降压收集极结构中第二或第三收集极芯的结构示意图；

图4为本发明四级降压收集极结构中第四收集极芯的结构示意图；

图5为本发明四级降压收集极结构中各收集极芯的配套装配焊接模具示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1，本发明的四级降压收集极结构包括：收集极外围的收集极筒组件2，位于收集极筒组件2内部与收集极筒组件2相连的四瓣圆弧瓷板1，位于四瓣圆弧瓷板1内部，从上至下依次与圆弧瓷板1相焊接的第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯以及第四收集极芯。其中，四个收集极芯均由钼铜材料制作的收集极头3与无氧铜材料制作的收集极座4焊接而成。

收集极芯的设计往往直接影响到收集极降压分布以及电子注在收集极芯中的分配，因此如何在提高收集极效率的同时保证收集极热量能快速散出是收集极设计的关键。本发明的四级降压收集极结构中，从上至下的四个收集极芯设计为均具有环形锥面结构；第二收集极芯与第三收集极芯中环形锥面结构的内壁还设有与水平方向平行的环形内芯5；环形内芯5的下表面具有环状凸起6；第四收集极芯的环形锥面结构顶端采用非对称斜口结构8；同时，第四收集极芯的环形锥面结构的下方还设有底座7，底座与对应的收集极座相连，且上表面设有多个倾斜锯齿锥角9，如图1所示。这些结构在提高收集极效率的同时也可减小收集极体积，这些特殊结构也可以有效抑制一次电子、二次电子返转产生，减少回流，提升了收集极回收电子注的能力。特别地，经由大量仿真设计优化，第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯和第四收集极芯的环形锥面结构的锥面与竖直方向的倾斜面角度分别为76°，58°，65°和35°，第四收集极芯的非对称斜口结构8所在斜面与水平方向的夹角为18°，且第四收集极芯底座上的多个倾斜锯齿锥角9与竖直方向倾斜角度为64°。同时，各级收集极芯的收集极头3 均采用钼铜材料制造，大大降低了二次电子发射，进一步提高了收集极效率，最终，该收集极效率达到77.2％，仿真结果如图2所示。

在散热方面，一般收集极瓷板或瓷柱与收集极筒及收集极芯的接触面较小，大多为平板设计，收集极的热量很难快速传递出去，本发明四级降压收集极采用的圆弧瓷板1与收集极筒组件2内壁贴合，接触面积较大，且圆弧瓷板的分瓣设计，利于散热并便于装配。同时，四个收集极芯的收集极座4均采用无氧铜材料，不仅加强了散热能力且易于焊接，四瓣圆弧瓷板1与收集极芯均焊接在一起，大大增强了收集极的散热能力。但各个收集极电极由两种膨胀系数不同的材料焊接而成，故设计了配套的装配焊接模具，使得两种材料焊接紧密无焊缝，保证了收集极电极散热能力，进而提高收集极的稳定性与可靠性。

此外，四瓣圆弧瓷板1内壁还有四个定位收集极芯的凹槽以及三个绝缘槽。各绝缘槽位于相邻定位凹槽之间，用于对各相邻收集极芯进行绝缘，四个收集极电极分别嵌入四个定位槽处并进行焊接，收集极筒组件2套在四瓣圆弧瓷板外并进行热挤压，使收集极筒组件2、四瓣圆弧瓷板1与四个收集极芯紧密贴合，减少零件与瓷件间的空隙，增大接触面积，大大加强了收集极的散热能力，同时也提高了收集极的力学强度。

由于四个收集极电极均采用两种不同膨胀系数的材料焊接而成，收集极头3 所用的钼铜材料膨胀系数较小，收集极座4所用的无氧铜材料相对钼铜材料膨胀系数大，在焊接配合好的收集极头3与收集极座4时，电极座膨胀的大，电极头膨胀量小，两者之间的间隙增加，而焊料更易在无氧铜材料上流淌，便会堆积于无氧铜材料的电极座上，致使焊接质量差影响收集极性能，因此设计了收集极电极配套装配焊接模具。

所涉及的收集极配套装配焊接模具(图5)包括收集极上夹模(模具一)、收集极下夹模(模具二)以及收集极电极焊接模(模具三)，其中，收集极电极焊接模(模具三)需根据四个电极各自制作不同尺寸。本发明收集极电极焊接装配时，将收集极头3与收集极座4配合装好后放置于收集极焊接下模(模具二)上，接着将配对使用的电极焊接模(模具三)套在收集极座4外面，使电极嵌于电极焊接模(模具三)的定位槽中，上紧螺丝加强固定，约束无氧铜座的膨胀，最后将收集极焊接上模(模具一)置于电极头3上方，加以固定，如图5所示。将装配好的收集极电极送入氢炉进行焊接，收集极各电极头与电极座配合严丝合缝，保证了收集极的散热性能，进而提高收集极整体稳定性与可靠性。

综上，本发明通过多次收集极结构仿真设计优化，提供了一种高效率，高稳定性、高可靠性、适用于大功率空间行波管的四级降压收集极。其电极结构设计合理、新颖，同一个电极中采用两种材料焊接而成，其中电极头采用钼铜材料以降低二次电子发射，收集极电极座采用无氧铜材料以便与圆弧瓷板焊接，加强散热能力，同时采用专用焊接模具焊接而成的收集极电极焊接质量良好，收集极筒组件、四瓣圆弧瓷板和四级收集极芯之间紧密贴合，在提高收集极效率的同时，保证了收集极整体的散热能力，进而提高了收集极的稳定性及可靠性。本发明四级降压收集极适用于大功率脉冲空间行波管，具有结构强度高、散热性能好、装配工艺简单、可靠性高、效率高，可以适应空间环境等特点。该结构满足大功率脉冲空间行波管的应用需求，收集极效率达到77.2％，已成功应用于效率大于55％，峰值功率大于900W的X波段脉冲空间行波管中。

Claims (9)

1.一种高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，包括收集极筒组件(2)、紧密贴合于收集极筒组件(2)内部的圆弧瓷板(1)、位于圆弧瓷板(1)内部且从上至下依次与圆弧瓷板(1)相接的第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯、第四收集极芯；其中，每一收集极芯各自包括钼铜材料制作的收集极头(3)与无氧铜材料制作的收集极座(4)，所述收集极头(3)与收集极座(4)通过收集极配套装配焊接模具焊接而成。

2.根据权利要求1所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述圆弧瓷板(1)包括四瓣，共同围成筒状。

3.根据权利要求1所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，从上至下的四个收集极芯均具有环形锥面结构；四个收集极芯各自的锥面与数值方向的倾斜角度分别为76°、58°、65°和35°。

4.根据权利要求3所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述第二收集极芯与第三收集极芯的环形锥面结构内壁还具有与水平方向平行的环形内芯(5)；所述环形内芯(5)的下表面具有环状凸起(6)。

5.根据权利要求3所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述第四收集极芯的环形锥面结构的顶端为非对称斜口(8)；所述非对称斜口(8)所在斜面与水平方向的夹角为18°。

6.根据权利要求3所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述第四收集极芯还包括平行于水平方向的底座(7)；所述底座(7)位于第四收集极芯的环形锥面结构下方且与对应的收集极座(4)相连。

7.根据权利要求6所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述底座(7)上表面设有多个倾斜锯齿锥角(9)。

8.根据权利要求7所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，每个倾斜锯齿锥角(9)与竖直方向倾斜角度为64°。

9.根据权利要求2所述的高效率大功率脉冲空间行波管四级降压收集极结构，其特征在于，所述圆弧瓷板(1)内壁有四个定位凹槽以及三个绝缘槽；四个收集极芯的电极分别嵌入四个定位凹槽处并与对应定位凹槽焊接连接；各绝缘槽位于相邻定位凹槽之间，用于对各相邻收集极芯进行绝缘。

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