CN114147357B - 用于行波管的输出窗及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于行波管的输出窗，包括：主体部，适用于安装在行波管的输出慢波装置上；封装组件，安装在主体部上，使得主体部内形成与输出慢波装置的内部连通的真空腔体；以及内导体，内导体轴向贯穿主体部，并包括：上输出针，贯穿封装组件并与封装组件结合；以及下输出针，与上输出针的内侧端在主体部内连接，其中，上输出针和下输出针由不同的导电材料制成。内导体采用上输出针和下输出针的结合形式，解决了大功率输出窗的散热及高频损耗问题。

Description

用于行波管的输出窗及其制备方法
技术领域
本公开涉及微波真空电子器件技术领域，具体地，涉及一种用于行波管的输出窗及其制备方法。
背景技术
行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管，待放大的微波信号经输入窗进入慢波电路、并沿慢波电路行进。电子与行进的微波场进行能量交换，使微波信号得到放大，再由输出窗输出。因此，行波管的输出窗直接影响行波管损耗大小、特性阻抗匹配好坏、频带宽窄等。随着波段的带宽、输出功率、可靠性、热设计(包括损耗与散热)的要求的提高，输出窗的驻波、结构可靠性、散热能力均提出了更高的要求。传统的输出窗普遍采用可靠性低的针封结构，封接应力大，可靠性差。合理的封接结构是获得高可靠陶瓷-金属封接的关键，直接影响到陶瓷与金属封接的气密性和抗温度冲击、力学振动的能力。并且传统材料选用散热差的钼，已经很难满足大功率Ku波段空间行波管的可靠性的要求。因此，亟需设计一种驻波系数小，高频损耗小，散热能力强，封接结构可靠性高的适用于Ku波段大功率空间行波管的输出窗。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种用于行波管的输出窗及其制备方法，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种用于行波管的输出窗，包括：主体部，适用于安装在行波管的输出慢波装置上；封装组件，安装在主体部上，使得主体部内形成与输出慢波装置的内部连通的真空腔体；以及内导体，内导体轴向贯穿主体部，并包括：上输出针，贯穿封装组件并与封装组件结合；以及下输出针，与上输出针的内侧端在主体部内连接，下输出针末端设有内孔；其中，上输出针和下输出针由不同的导电材料制成。
根据本公开的实施例，其中，上输出针由无氧铜制成；下输出针由弥散无氧铜制成，下输出针的刚性大于上输出针的刚性。
根据本公开的实施例，其中，上输出针具有至少一个台阶部，以在轴向方向上具有变化的阻抗。
根据本公开的实施例，其中，上输出针与下输出针的结合部位位于真空腔体内。
根据本公开的实施例，其中，封装组件包括：封接件，安装在主体部的内侧端；窗瓷体，安装在封接件上，并从主体部向外伸出，上输出针通过窗瓷体安装在封接件上；去应力片，设置于上输出针位于窗瓷体外部的部位上；以及外导体，安装在主体部的外侧端。
本公开的另一个方面，提供了一种该输出窗的制备方法，包括：S1：提供内导体焊接模具5，包括下模具和上模具，上模具和下模具上分别设有纵向延伸、彼此配合的定位槽、以及与定位槽连通的焊接通孔；S2：将上输出针和下输出针放置在定位槽中，使得上输出针和下输出针的结合部位位于焊接通孔处；S3：将下模具和上模具装配在一起；S4：通过焊接通孔将上输出针和下输出针焊接在一起，形成内导体；S5：将内导体、封装组件和主体部装配在一起。
根据本公开的实施例，其中，定位槽呈V型结构。
根据本公开的实施例，其中，将内导体、封装组件和主体部装配在一起，包括：S51：在上输出针和去应力片、上输出针和窗瓷体、封接件和主体部之间放置焊料片；在封接件和主体部的外台阶处、封接件和窗瓷体配合的上端台阶处放置焊料丝，形成输出窗前体；S52：将输出窗前体装配到输出窗焊接模具内；S53：将装配有输出窗前体的焊接模具放置在氢气保护炉中进行钎焊，从而使输出窗前体形成输出窗。
根据本公开的实施例，其中，输出窗焊接模具包括：同心底座，内导体的内侧端插入所述同心底座；具有通气孔的同心支撑筒，安装在同心底座上；阻焊同心定位瓷，安装在同心支撑筒内，窗瓷体和内导体的外侧延伸到阻焊同心定位瓷内；和压盖，设置在同心支撑筒上。其中，同心底座、同心支撑筒和压盖是由高温不锈钢制成；同心底座、同心支撑筒和阻焊同心定位瓷的同心度优于Φ0.02；同心支撑筒上设置有4个通气孔；阻焊同心定位瓷由A-95氧化铝陶瓷制成。
根据本公开的实施例，其中，内导体焊接的激光焊选用脉宽8ms，能量400J；焊料片选用厚度0.05mm的AuCu20；焊料丝选用直径Φ0.4的AuCu20。
根据本公开的上述实施例的用于行波管的输出窗及其制备方法，内导体采用分体结构，，使包括这种输出窗的行波管驻波小、耐温度冲击、耐力学振动，具有良好的散热性能。
附图说明
图1是本公开实施例的用于行波管的输出窗的轴向剖视图；
图2a是本公开实施例的用于制作内导体的焊接模具的立体示意图，图中示出了内导体；
图2b是图图2a所示的焊接模具的俯视图；
图2c是图2a所示的焊接模具的另一种立体示意图；
图2d是本公开实施例的焊接模具的下定位槽的立体示意图；
图3是本公开实施例的制作输出窗时与输出窗焊接模具结合的轴向剖视图；以及
图4是本公开实施例的使用所述输出窗的行波管的驻波测试图。
附图标记说明
1 主体部
2 封装组件
21 封接件
22 窗瓷体
23 去应力片
24 外导体
3 内导体
31 上输出针
32 下输出针
321 内孔
33 焊缝
4 真空腔体
5 内导体焊接模具
51 下模具
52 上模具
53 定位槽
54 焊接通孔
6 焊料片、焊料丝
7 输出窗焊接模具
71 同心底座
72 同心支撑筒
721 通气孔
73 阻焊同心定位瓷
74 压盖
8 输出窗
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
传统的输出窗普遍采用可靠性低的针封结构，封接应力大，可靠性差。合理的封接结构是获得高可靠陶瓷-金属封接的关键，直接影响到陶瓷与金属封接的气密性和抗温度冲击、力学振动的能力。并且传统材料选用散热差的钼，已经很难满足大功率Ku波段空间行波管的可靠性的要求。
为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种用于行波管的输出窗，包括：适用于安装在行波管的输出慢波装置上的主体部，安装在主体部上的封装组件，封装组件使得主体部内形成与输出慢波装置的内部连通的真空腔体，以及轴向贯穿主体部的内导体。内导体还包括：贯穿封装组件并与封装组件结合得上输出针，以及与上输出针的内侧端在主体部内连接得下输出针，下输出针得末端设有内孔。其中，上输出针和下输出针由不同的导电材料制成。
根据本公开的另一个方面的总体上的发明构思，提供一种该输出窗的制备方法，包括：S1：提供内导体焊接模具，包括下模具和上模具，上模具和下模具上分别设有纵向延伸、彼此配合的定位槽、以及与定位槽连通的焊接通孔；S2：将上输出针和下输出针放置在定位槽中，使得上输出针和下输出针的结合部位位于焊接通孔处；S3：将下模具和上模具装配在一起；S4：通过焊接通孔将上输出针和下输出针焊接在一起，形成内导体；S5：将内导体、封装组件和主体部装配在一起。
在上述用于行波管的输出窗及其制备方法中，通过改变内导体的材质并考虑到加工难度的问题，采用分体结构，同时封装组件的选择保证了封装可靠性，使输出窗简单、可靠性高，行波管驻波小、耐温度冲击、耐力学振动，具有良好的散热性能。
以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
图1是本公开实施例的用于行波管的输出窗的轴向剖视图。
如图1所示，本公开提供一种用于行波管的输出窗，包括：适用于安装在行波管的输出慢波装置上的主体部1，安装在主体部1上的封装组件2，封装组件2使得主体部1内形成与输出慢波装置的内部连通的真空腔体4，以及轴向贯穿主体部1的内导体3。内导体3还包括：贯穿封装组件2并与封装组件2结合得上输出针31，以及与上输出针31的内侧端在主体部1内连接得下输出针32，下输出针32得末端设有内孔321。其中，上输出针31和下输出针32由不同的导电材料制成。
根据本公开的实施例，上输出针31由无氧铜制成；下输出针32由弥散无氧铜制成，下输出针32的刚性大于上输出针31的刚性。
根据本公开的实施例，下输出针32由弥散无氧铜制成，满足大功率输出窗的散热问题及高频损耗问题。
根据本公开的实施例，上输出针31具有至少一个台阶部，以在轴向方向上具有变化的阻抗。
根据本公开的实施例，上输出针31与下输出针32的结合部位位于真空腔体4内。
根据本公开的实施例，封装组件2包括：安装在主体部1的内侧端的封接件21；安装在封接件21上的窗瓷体22，窗瓷体22从主体部1向外伸出，上输出针31通过窗瓷体22安装在封接件21上；设置于上输出针31位于窗瓷体22外部的部位上的去应力片23，和安装在主体部1的外侧端的外导体24。
根据本公开的实施例，上输出针31与窗瓷体22采用平面封接的可靠结构。
根据本公开的实施例，窗瓷体22和外导体24之间设有封接件21，保证封接可靠性及散热性的过渡结构。
根据本公开的实施例，窗瓷体22由A-95氧化铝制成，封接件21由与窗瓷体22匹配度好的4J33铁镍钴合金制成。
根据本公开的实施例，封接件21和窗瓷体22采用可靠性高的套封结构，
根据本公开的实施例，外导体24有螺纹结构。
图2a是本公开实施例的用于制作内导体的焊接模具的立体示意图，图中示出了内导体；图2b是图图2a所示的焊接模具的俯视图；图2c是图2a所示的焊接模具的另一种立体示意图；图2d是本公开实施例的焊接模具的下定位槽的立体示意图。
如图2a、2b、2c和2d所示，本公开提供一种该输出窗的制备方法，包括：S1：提供内导体3焊接模具，包括下模具51和上模具52，上模具52和下模具51上分别设有纵向延伸、彼此配合的定位槽53、以及与定位槽53连通的焊接通孔54；S2：将上输出针31和下输出针32放置在定位槽53中，使得上输出针31和下输出针32的结合部位位于焊接通孔54处；S3：将下模具51和上模具52装配在一起；S4：通过焊接通孔54将上输出针31和下输出针32焊接在一起，形成内导体3；S5：将内导体3、封装组件2和主体部1装配在一起。
根据本公开的实施例，定位槽53呈V型结构。
根据本公开的实施例，内导体3焊接的激光焊选用脉宽8ms，能量400J。
图3是本公开实施例的制作输出窗时与输出窗焊接模具结合的轴向剖视图。
根据本公开的实施例，参照图3，将内导体3、封装组件2和主体部1装配在一起，包括：S51：在上输出针31和去应力片23、上输出针31和窗瓷体22、封接件21和主体部1之间放置焊料片6；在封接件21和主体部1的外台阶处、封接件21和窗瓷体22配合的上端台阶处放置焊料丝6，形成输出窗前体；S52：将输出窗前体装配到输出窗焊接模具7内；S53：将装配有输出窗前体的焊接模具放置在氢气保护炉中进行钎焊，从而使输出窗前体形成输出窗8。
根据本公开的实施例，参照图3，输出窗焊接模具7包括：同心底座71，内导体3的内侧端插入同心底座71中；具有通气孔721的同心支撑筒72，同心支撑筒72安装在同心底座71上；安装在同心支撑筒72内的阻焊同心定位瓷73，窗瓷体22和内导体3的外侧延伸到阻焊同心定位瓷73内；和设置在同心支撑筒72上的压盖74。其中，同心底座71、同心支撑筒72和压盖74是由高温不锈钢制成；同心底座71、同心支撑筒72和阻焊同心定位瓷73的同心度优于Φ0.02；同心支撑筒72上设置有4个通气孔721；阻焊同心定位瓷73由A-95氧化铝陶瓷制成，防止焊料粘模具，能够平封传递压力、直接压在焊料附近不沾粘焊接模具以及高温稳定性好。
根据本公开的实施例，焊料片选用厚度0.05mm的AuCu20；焊料丝选用直径Φ0.4的AuCu20。
根据本公开的实施例，封接件21装配前经过电镀镍处理。
根据本公开的实施例，装配前，窗瓷体22需先清洗，然后900℃素烧10min，再依次经过Mo-Mn法金属化、电镀镍处理。
根据本公开的实施例，焊接模具选用耐高温发黑不锈钢的模具，同时焊接模具有同心度要求。
根据本公开的实施例，输出窗待焊接组件依次装配到焊接模具过程中，下输出针32与焊接模具之间的间隙是0.02-0.03mm，外导体24与焊接模具之间的间隙也是0.02-0.03mm。
根据本公开的实施例，装配好待焊接组件的焊接模具放置在氢气保护炉中进行钎焊。在氢气保护炉内的焊接过程为：A：以升温速度不超过15℃/min，升温至880℃±10℃，保温15-20min；B：以升温速度不超过20℃/min，升温至930℃±10℃，保温2-3min；C：在40min内冷却至600℃±10℃；D：再在20min内冷却至400℃±10℃，然后随炉冷却至室温。
图4是本公开实施例的使用所述输出窗的行波管的驻波测试图。
如图4所示，实施例中制备的该输出窗的工作频带12.2-12.8GHz内的驻波比小于1.3。
根据本公开的实施例，制备的输出窗进行气密性检验和驻波比测试，满足输出窗的气密性优于5×10-11Pa·m3/s。
根据本公开的上述实施例的用于行波管的输出窗及其制备方法，内导体采用分体结构，使得行波管驻波小、耐温度冲击、耐力学振动，高频损耗小，具有良好的散热性能；同时，封装组件的选择保证了封装可靠性，使输出窗简单、可靠性高。
以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于行波管的输出窗，包括：
主体部(1)，适用于安装在所述行波管的输出慢波装置上；
封装组件(2)，安装在所述主体部(1)上，使得所述主体部(1)内形成与所述输出慢波装置的内部连通的真空腔体，其中，所述封装组件(2)包括封接件(21)、窗瓷体(22)和去应力片(23)；以及
内导体(3)，所述内导体轴向贯穿所述主体部，并包括：
上输出针(31)，贯穿所述封装组件(2)并与所述封装组件(2)结合；以及
下输出针(32)，与所述上输出针(31)的内侧端在所述主体部(1)内连接，所述下输出针(32)末端设有内孔(321)；
其中，所述上输出针(31)和下输出针(32)由不同的导电材料制成；
其中，所述上输出针(31)与所述窗瓷体(22)采用平面封接，所述封接件(21)和所述窗瓷体(22)采用套封结构；所述上输出针(31)由无氧铜制成，所述下输出针(32)由弥散无氧铜制成，所述下输出针(32)的刚性大于所述上输出针(31)的刚性；所述上输出针(31)与下输出针(32)的结合部位位于所述真空腔体(4)内；
其中，所述上输出针(31)和所述下输出针(32)是由呈V型结构的定位槽固定得到的；内导体(3)焊接的激光焊选用脉宽8ms，能量400J，以实现下输出针(32)与上输出针(31)的可靠焊接；
其中，在上输出针(31)和去应力片(23)、上输出针(31)和窗瓷体(22)、封接件(21)和主体部(1)之间放置厚度0.05mm的AuCu20焊料片(6)；在封接件(21)和主体部(1)的外台阶处、封接件(21)和窗瓷体(22)配合的上端台阶处放置AuCu20焊料丝(6)；
其中，所述输出窗在氢气保护炉内的焊接过程为：以升温速度不超过15℃/min，升温至880℃±10℃，保温15-20min；以升温速度不超过20℃/min，升温至930℃±10℃，保温2-3min；在40min内冷却至600℃±10℃；再在20min内冷却至400℃±10℃，然后随炉冷却至室温；
其中，所述输出窗是利用包括阻焊同心定位瓷(73)和压盖(74)的焊接模具制备的。
2.根据权利要求1所述的输出窗，其中，所述上输出针(31)具有至少一个台阶部，以在轴向方向上具有变化的阻抗。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的输出窗，其中，封装组件(2)包括：
封接件(21)，安装在所述主体部(1)的内侧端；
窗瓷体(22)，安装在所述封接件(21)上，并从所述主体部(1)向外伸出，所述上输出针(31)通过所述窗瓷体(22)安装在所述封接件(21)上；
去应力片(23)，设置于所述上输出针(31)位于所述窗瓷体(22)外部的部位上；以及
外导体(24)，安装在所述主体部(1)的外侧端。
4.一种权利要求1-3中的任一项所述的输出窗的制备方法，包括：
S1：提供内导体焊接模具(5)，包括下模具(51)和上模具(52)，所述上模具(52)和下模具(51)上分别设有纵向延伸、彼此配合的定位槽(53)、以及与所述定位槽(53)连通的焊接通孔(54)；
S2：将所述上输出针(31)和下输出针(32)放置在所述定位槽(53)中，使得所述上输出针(31)和下输出针(32)的结合部位位于所述焊接通孔(54)处；
S3：将下模具(51)和上模具(52)装配在一起；
S4：通过所述焊接通孔(54)将所述上输出针(31)和下输出针(32)焊接在一起，形成内导体(3)；
S5：将所述内导体(3)、封装组件(2)和主体部(1)装配在一起。
5.根据权利要求4所述的输出窗的制备方法，其中，所述定位槽(53)呈V型结构。
6.根据权利要求4所述的用于行波管的输出窗的制备方法，其中，将所述内导体(3)、封装组件(2)和主体部(1)装配在一起，包括：
S51：在上输出针(31)和去应力片(23)、上输出针(31)和窗瓷体(22)、封接件(21)和主体部(1)之间放置焊料片(6)；在封接件(21)和主体部(1)的外台阶处、封接件(21)和窗瓷体(22)配合的上端台阶处放置焊料丝(6)，形成输出窗前体；
S52：将所述输出窗前体装配到输出窗焊接模具(7)内；
S53：将装配有输出窗前体的焊接模具(7)放置在氢气保护炉中进行钎焊，从而使所述输出窗前体形成输出窗(8)。
7.根据权利要求5所述的用于行波管的输出窗的制备方法，其中，所述输出窗焊接模具(7)包括：
同心底座(71)，所述内导体的内侧端插入所述同心底座(71)；
具有通气孔(721)的同心支撑筒(72)，安装在所述同心底座(71)上；
阻焊同心定位瓷(73)，安装在所述同心支撑筒(72)内，所述窗瓷体(22)和内导体(3)的外侧延伸到所述阻焊同心定位瓷(73)内；和
压盖(74)，设置在所述同心支撑筒(72)上；
其中，所述同心底座(71)、同心支撑筒(72)和压盖(74)是由高温不锈钢制成；
所述同心底座(71)、同心支撑筒(72)和阻焊同心定位瓷(73)的同心度优于Φ0.02；
所述同心支撑筒(72)上设置有4个通气孔(721)；
所述阻焊同心定位瓷(73)由A-95氧化铝陶瓷制成。
8.根据权利要求5所述的用于行波管的输出窗的制备方法，其中，
所述内导体(3)焊接的激光焊选用脉宽8ms，能量400J；
所述焊料片选用厚度0.05mm的AuCu20；
所述焊料丝选用AuCu20。
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