X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)可靠性研究

尚新文 李鑫偉 曹林林 肖 劉 蘇小保

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X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)可靠性研究

尚新文*①②③李鑫偉①②③曹林林①②肖 劉①②蘇小保①②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國(guó)科學(xué)院高功率微波源與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 101400)③(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

X波段脈沖空間行波管主要用于輕型SAR等雷達(dá)系統(tǒng)，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。輸出結(jié)構(gòu)是行波管的重要部件，其可靠性不僅影響行波管的輸出功率等性能，還影響行波管的穩(wěn)定性與可靠性。該文針對(duì)X脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性研究，通過電、磁、熱多物理場(chǎng)耦合的方式對(duì)它進(jìn)行熱、力結(jié)構(gòu)可靠性分析，按分析結(jié)果對(duì)輸出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，耐沖擊能力增強(qiáng)，并經(jīng)過1000 h以上的整管老練及空間環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，輸出結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，滿足空間環(huán)境試驗(yàn)及使用要求。

脈沖空間行波管；多物理場(chǎng)耦合；輸出結(jié)構(gòu)；可靠性

1 引言

空間行波管是星載轉(zhuǎn)發(fā)器和星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件[1]，其作用是微波功率放大。本文研究的X波段脈沖空間行波管為柵控脈沖行波管，和其它脈沖行波管相比，柵控行波管電源調(diào)制器(EPC電壓相對(duì)比較低，進(jìn)而EPC體積較小，重量較輕，且由于其工作頻帶寬、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境衛(wèi)星、微波遙感衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等軍民用衛(wèi)星系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[2]。在使用過程中要承受各種機(jī)械沖擊和振動(dòng)，必須滿足各種機(jī)械環(huán)境應(yīng)力的考驗(yàn)，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。

輸出結(jié)構(gòu)是行波管的重要部件，其可靠性不僅影響行波管的輸出功率等性能，還影響行波管的穩(wěn)定性與可靠性。高功率輸出結(jié)構(gòu)的主要失效類型有：(1)介電故障導(dǎo)致陶瓷窗片穿孔；(2)窗片過熱導(dǎo)致其炸裂；(3)輸出窗封接結(jié)構(gòu)不合理產(chǎn)生的應(yīng)力引起輸出窗漏氣[3]；(4)在力學(xué)試驗(yàn)過程中行波管輸出窗漏氣或者輸出窗與螺線斷開而導(dǎo)致輸出結(jié)構(gòu)失效和行波管損壞。因此，有必要對(duì)輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱及力學(xué)等可靠性研究，為X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及整管的研制提供可靠的理論依據(jù)。

為了保證輸出結(jié)構(gòu)及行波管的可靠性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)輸出結(jié)構(gòu)開展了工藝可靠性、可靠性熱設(shè)計(jì)及抗振可靠性研究。

在工藝可靠性方面，文獻(xiàn)[4]針對(duì)寬帶大功率行波管輸能窗的漏氣失效機(jī)理開展了氧化鈹陶瓷-金屬封接可靠性的研究，從陶瓷本身強(qiáng)度、封接材料匹配性及焊料潤(rùn)濕性著手，結(jié)合工藝措施改進(jìn)來提高封接可靠性；文獻(xiàn)[5]利用ANSYS軟件對(duì)Al2O3陶瓷窗片在毫米波盒形窗中的微波性能及其封接殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬評(píng)估；文獻(xiàn)[6]研究了一種高可靠氧化鈹Ka波段盒型輸能窗，滿足氣密性和物理特性要求。

在可靠性熱設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[7]利用熱力學(xué)有限元分析軟件對(duì)高斯模式輸出窗進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析和結(jié)構(gòu)形變分析；文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了Q波段回旋行波管寬帶高平均功率輸出窗設(shè)計(jì)與熱分析；文獻(xiàn)[9]利用ANSYS對(duì)某行波管同軸輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析，分別研究了在駐波系數(shù)分別為1.25和2.5、輸出功率分別為50 W及100 W 4種情況下輸出結(jié)構(gòu)的溫度分布及最高溫度；文獻(xiàn)[10]通過CST微波工作室對(duì)某200 W連續(xù)波行波管同軸輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析，得出了輸出結(jié)構(gòu)的溫度分布。

在抗振可靠性研究方面，文獻(xiàn)[11]利用有限元模擬仿真分析和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)某行波管輸能窗兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)機(jī)理分析、動(dòng)力學(xué)特性分析和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

以上文章對(duì)輸出結(jié)構(gòu)可靠性研究，或通過工藝試驗(yàn)的方法進(jìn)行改進(jìn)，或通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行熱分析，或只進(jìn)行了部分力學(xué)可靠性分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析研究不夠全面和深入。本文針對(duì)X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)，通過電、磁、熱及力多物理場(chǎng)耦合的方式對(duì)它進(jìn)行了比較全面的熱、力和結(jié)構(gòu)可靠性研究，并經(jīng)過1000 h以上整管老練實(shí)驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了該輸出窗滿足空間環(huán)境試驗(yàn)及使用要求。

2 輸出結(jié)構(gòu)熱分析

由于輸出結(jié)構(gòu)中窗片介質(zhì)損耗的存在，當(dāng)微波通過輸出窗時(shí)就會(huì)在窗片內(nèi)產(chǎn)生高頻介質(zhì)損耗，高頻輸出功率越高，產(chǎn)生的熱量就越大，窗片上的溫度就會(huì)越高，這時(shí)窗片內(nèi)的熱應(yīng)力就越大。由于受輸出微波模式的影響，當(dāng)微波通過輸出窗時(shí)被窗片吸收的損耗功率在窗片上分布不均勻，而窗片吸收的功率過大時(shí)，就有可能造成輸出窗片局部溫度過高，熱應(yīng)力就會(huì)超過輸出窗片所能承受的熱應(yīng)力，從而使輸出窗破裂。輸出結(jié)構(gòu)通常由真空密封窗和阻抗變換器兩部分組成。X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)采用盒型波導(dǎo)窗，如圖1所示，窗片采用藍(lán)寶石，輸出窗片上、下窗架采用可伐。該文主要通過以下方式對(duì)輸出窗進(jìn)行熱分析。

圖1 X波段輸出窗結(jié)構(gòu)示意圖

首先對(duì)輸出窗工作狀態(tài)下的電磁特性進(jìn)行分析，得出電磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)中的分布情況；其次計(jì)算由損耗產(chǎn)生的體生熱率，將其作為熱物理模型的激勵(lì)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱物理場(chǎng)的分析，得到結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 X波段輸出窗結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)熱分析流程圖

2.1 輸出窗電磁場(chǎng)分析

該輸出窗屬于圓波導(dǎo)，TE11和TM11是存在于窗中的兩個(gè)主要模式，由波導(dǎo)理論可知，圓波導(dǎo)TE11模和TM11模在圓柱坐標(biāo)系下電場(chǎng)各分量的表達(dá)式分別可以寫為

TE11模：

TM11模：

行波管功率傳輸過程中的模式轉(zhuǎn)換如下：行波管輸出功率從圖1下端進(jìn)入矩形波導(dǎo)(主模：TE10模)，經(jīng)方-圓波導(dǎo)跳變連接至圓波導(dǎo)內(nèi)(主模：TE11模)，再經(jīng)過藍(lán)寶石窗片和右端圓-方波導(dǎo)跳變連接進(jìn)入上端矩形波導(dǎo)(主模：TE10模)，最終輸出功率被輸出至下級(jí)并完成傳輸。實(shí)際計(jì)算時(shí)模擬設(shè)定的輸入功率均以TE10模式給定。

X波段脈沖空間行波管中心頻率為9.5 GHz，峰值輸出功率1.0 kW，工作比12%，將其作為輸出窗的激勵(lì)源，計(jì)算出輸出窗的電磁場(chǎng)分布。通過模擬計(jì)算可以得出， TE11模的相對(duì)功率約占整個(gè)輸出模式總功率的86.4％左右。圖3、圖4分別為輸出窗的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布，從圖中可以看出，輸出窗最大電場(chǎng)為1.860×105V/m，最大磁場(chǎng)為292.1 A/m，藍(lán)寶石的介電強(qiáng)度約4.8×107V/m[16]，由此可見，此輸出窗不會(huì)發(fā)生擊穿。

圖3 輸出窗的電場(chǎng)分布

圖4 輸出窗的磁場(chǎng)分布

2.2輸出窗熱分析

電磁場(chǎng)經(jīng)過輸出窗時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，主要包括：(1)電介質(zhì)損耗，其產(chǎn)生原因?yàn)樵谕饧与姶艌?chǎng)的作用下介質(zhì)內(nèi)部極化產(chǎn)生的極化強(qiáng)度落后于電場(chǎng)的一個(gè)相角，產(chǎn)生與電場(chǎng)同相的極化電流，構(gòu)成介質(zhì)內(nèi)部功率耗散，(2)磁介質(zhì)損耗，亦稱渦流損耗，(3)歐姆損耗。以上損耗可以由以下方法計(jì)算得出。

式(11)可以改為

右邊第1項(xiàng)是極化損耗功率密度，第2項(xiàng)是磁化損耗功率密度，第3項(xiàng)是焦耳損耗功率密度，第4項(xiàng)是局外電流有功功率密度。

根據(jù)式(13)可得在電磁場(chǎng)作用下物質(zhì)單位體積的功率損耗為

式(16)中第1項(xiàng)損耗為電介質(zhì)損耗，第2項(xiàng)損耗為磁介質(zhì)損耗，第3項(xiàng)為歐姆損耗。

電磁場(chǎng)經(jīng)過輸出窗產(chǎn)生的功率損耗分布如圖5、圖6所示，從圖中可以看出，輸出窗所產(chǎn)生的體功率損耗密度最大處在藍(lán)寶石窗片中心位置，大小為8.615×104W/m3，輸出窗所產(chǎn)生的表面功率損耗密度最大處在輸出窗支撐結(jié)構(gòu)邊緣，大小為2.058×103W/m2。

圖5 輸出窗產(chǎn)生的體功率損耗密度分布

圖6 輸出窗產(chǎn)生的表面功率損耗密度分布

將以上微波損耗作為輸出窗的熱源，加載在輸出窗上。一般的熱分析設(shè)計(jì)方法對(duì)熱源加載主要有兩種方法，第1種是在窗片表面均勻加載功率密度；第2種是根據(jù)場(chǎng)分布，在窗片上取點(diǎn)加載熱源。文中使用高頻電磁軟件CST中MPHYSICS多物理場(chǎng)耦合場(chǎng)分析模塊進(jìn)行電磁-熱-耦合的方式自適應(yīng)地將微波損耗作為熱源加載在輸出窗上，熱源加載簡(jiǎn)便，計(jì)算精度高。輸出窗通過自身的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，散熱方式為主要熱傳導(dǎo)。圖7為輸出窗的溫度場(chǎng)分布，圖8為輸出窗應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，輸出窗中心處的溫度最高，輸出窗最大應(yīng)力為12.45 MPa, 其屈服強(qiáng)度為400 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度為：M.S=(400/(12.45×2))-1=15，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度設(shè)計(jì)要求。

圖7 輸出窗的溫度場(chǎng)分布

圖8 輸出窗應(yīng)力分布圖

3 輸出結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性分析

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本方程

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中描述離散化模型的一般常微分方程為

式(18)的物理意義為：結(jié)構(gòu)內(nèi)部的慣性力、阻尼力和彈性內(nèi)力之和應(yīng)等于結(jié)構(gòu)外部的作用力。應(yīng)用式(18)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算和設(shè)計(jì)，使電子設(shè)備在規(guī)定的重量?jī)?nèi)和規(guī)定的設(shè)計(jì)尺寸內(nèi)，可以設(shè)計(jì)出重量輕、強(qiáng)度大、剛度高、阻尼大的結(jié)構(gòu)，以能承受各種地面力學(xué)試驗(yàn)環(huán)境和上天的飛行環(huán)境的考驗(yàn)。

3.1.1模態(tài)分析 在無外力作用且不考慮結(jié)構(gòu)阻尼時(shí)，式(18)可退化為

式(19)也可寫成

式(21)為結(jié)構(gòu)的特征方程，求解式(21)可獲得結(jié)構(gòu)部件的各階固有頻率。從式(21)可見部件的固有頻率與結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量直接相關(guān)，提高結(jié)構(gòu)剛度或減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量均能提高部件的固有頻率。

3.1.2動(dòng)力響應(yīng)分析 在隨機(jī)(噪聲)振動(dòng)、正弦振動(dòng)、瞬時(shí)沖擊等動(dòng)力外載荷作用時(shí)，可通過式(18)求解進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，可獲得電子設(shè)備在動(dòng)載荷作用下各結(jié)構(gòu)單元的響應(yīng)內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)加速度、位移等量的預(yù)示值及分布情況，可獲得各結(jié)構(gòu)單元在隨機(jī)譜密度函數(shù)作用下的結(jié)構(gòu)均方根響應(yīng)。

3.2輸出窗力學(xué)可靠性分析

首先對(duì)輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，表1為輸出結(jié)構(gòu)前6階振動(dòng)頻率。由表1可知，輸出結(jié)構(gòu)基頻為5490.3 Hz，大于隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍10~2000 Hz，不會(huì)產(chǎn)生破壞性共振現(xiàn)象。

表1 輸出窗結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率

然后分別按照X波段脈沖空間行波管詳細(xì)規(guī)范環(huán)境試驗(yàn)條件(如表2-表5[17])對(duì)輸出窗進(jìn)行了沖擊、加速度、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)分析。

表2 沖擊試驗(yàn)加載條件

表3 加速度試驗(yàn)加載條件

表4 正弦振動(dòng)試驗(yàn)加載條件

表5 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)加載條件

圖9、圖10分別為輸出結(jié)構(gòu)沖擊狀態(tài)下的等效應(yīng)力及形變圖，從圖中可以看出，方向等效應(yīng)力最大值為220.12 MPa，形變最大值為0.061556 mm，方向等效應(yīng)力最大值為185.82 MPa，形變最大值為0.060591 mm, Z方向等效應(yīng)力最大值為1.1354 MPa，形變最大值為1.5193×10-5mm，最大點(diǎn)在輸出針上，材料為Mo-1，其屈服強(qiáng)度為450 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度為：M.S=(450/(220.12×2))-1= 0.02，安全裕度比較臨界。在駐波系數(shù)不產(chǎn)生明顯惡化的情況下，對(duì)輸出結(jié)構(gòu)中輸能針的長(zhǎng)度及過渡結(jié)構(gòu)階梯的寬度、高度等尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并重新進(jìn)行了力學(xué)分析，如圖11所示，方向等效應(yīng)力最大，最大值為152.22 MPa，此時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度為：M.S=(450/(152.22×2))-1=0.48，比原結(jié)構(gòu)提高了23倍。

圖9 原輸出結(jié)構(gòu)沖擊狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖

圖10 原輸出結(jié)構(gòu)沖擊狀態(tài)下的形變圖

圖11 輸出結(jié)構(gòu)(改進(jìn)后)沖擊狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖

表6為輸出結(jié)構(gòu)在加速度、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)等狀態(tài)下的分析結(jié)果，從表中可以看出，在隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)下方向等效應(yīng)力和形變最大，最大值分別為86.544 MPa和0.16654 mm，最大點(diǎn)在輸出針上，材料為Mo-1，其屈服強(qiáng)度為450 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度為：M.S=(450/(86.544×2))-1=1.6，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度設(shè)計(jì)要求。同時(shí)輸出結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的形變不會(huì)影響駐波系數(shù)。

表6 X波段脈沖空間行波管力學(xué)條件下模擬結(jié)果匯總

經(jīng)過以上模擬分析可以看出，改進(jìn)后的X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)可以通過表2-表5所列的力學(xué)可靠性環(huán)境試驗(yàn)量級(jí)而輸出結(jié)構(gòu)不會(huì)損壞，且經(jīng)模擬仿真，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的形變不會(huì)導(dǎo)致輸出結(jié)構(gòu)駐波系數(shù)發(fā)生明顯變化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上理論及模擬分析， X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)理論上可以滿足該管的可靠性要求，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其能否經(jīng)受可靠性篩選試驗(yàn)及應(yīng)用要求，對(duì)其開展了表2-表5所列的加速度、沖擊、振動(dòng)等可靠性環(huán)境試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)過程中X波段脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，燈絲未出現(xiàn)短路、斷路現(xiàn)象，各電極間的絕緣性能保持良好，包裝件未出現(xiàn)變形、松脫等現(xiàn)象，試驗(yàn)前后行波管峰值輸出功率、飽和增益、效率等指標(biāo)未發(fā)生明顯變化，如表7所示，行波管工作正常。

表7 X波段脈沖空間行波管力學(xué)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

該文對(duì)X脈沖空間行波管輸出結(jié)構(gòu)通過電、磁、熱及力多物理場(chǎng)耦合的方式對(duì)它進(jìn)行了熱學(xué)可靠性分析、力學(xué)結(jié)構(gòu)可靠性分析及改進(jìn)，從理論上該輸出結(jié)構(gòu)滿足X波段脈沖空間行波管可靠性要求，并經(jīng)過整管1000 h以上老練試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中輸出結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，且試驗(yàn)前后行波管峰值輸出功率、飽和增益、效率等指標(biāo)未發(fā)生明顯變化，行波管工作正常。故X波段脈沖輸出窗具有較高的可靠性，滿足空間環(huán)境試驗(yàn)及使用要求，為X脈沖空間行波管上星應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

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Study of the Reliability of the Output Structure for X-band Space Traveling Wave Tube

SHANG Xinwen①②③LI Xinwei①②③CAO Linlin①②XIAO Liu①②SU Xiaobao①②

①(,,100190,)②(,,101400,)③(,100049,)

X-band pulsed space Traveling Wave Tube (TWT) is mainly used in such radar system as light-weight SAR, which is required to have high power, high efficiency and high reliability. The output structure is an important part of the TWT, and its reliability not only affects the output power of TWT, but also influences the stability and reliability of the TWT. In this paper, the reliability of the output structure of an X-band pulsed space TWT is studied. The thermal and structural reliability is studied by means of multi-physics coupling including electrical and magnetic. The shock resistance ability of the output structure is improved according to the analysis results. Furthermore, in the course of above 1000 hours aging and space environmental test, the output structure has high reliability, meeting the space environment test and use requirements.

Pulsed space Traveling Wave Tube (TWT); Multi-physics coupling; Output structure; Reliability

TN124

A

1009-5896(2016)10-2674-07

10.11999/JEIT160003

2016-01-04；改回日期：2016-04-14；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-06-16

尚新文 13811983040@139.com

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX01007004001)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61401427)，中科院國(guó)防科技創(chuàng)新基金(CXJJ-16Q137)

The National Science and Technology Major Project (2012ZX01007004001), The National Natural Science Foundation of China (61401427), The National Defense Science and Technology Innovation Foundation, Chinese Academy of Sciences, (CXJJ-16Q137)

尚新文： 男，1981年生，工程師，博士生，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

李鑫偉： 男，1989年生，博士生，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

曹林林： 男，1983年生，助理研究員，主要研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

肖 劉： 男，1975年生，研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉娮訉W(xué)、計(jì)算電磁學(xué)、空間行波管的模擬、設(shè)計(jì)及研發(fā).

蘇小保： 男，1963年生，研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉娮訉W(xué)、低溫等離子體及應(yīng)用.