X波段脈沖空間行波管輸出結構可靠性研究

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構可靠性研究

尚新文*①②③李鑫偉①②③曹林林①②肖 劉①②蘇小保①②

①(中國科學院電子學研究所 北京 100190)②(中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室 北京 101400)③(中國科學院大學 北京 100049)

X波段脈沖空間行波管主要用于輕型SAR等雷達系統，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。輸出結構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，還影響行波管的穩定性與可靠性。該文針對X脈沖空間行波管輸出結構進行可靠性研究，通過電、磁、熱多物理場耦合的方式對它進行熱、力結構可靠性分析，按分析結果對輸出結構薄弱環節進行改進，耐沖擊能力增強，并經過1000 h以上的整管老練及空間環境試驗驗證，輸出結構具有較高的可靠性，滿足空間環境試驗及使用要求。

脈沖空間行波管；多物理場耦合；輸出結構；可靠性

1 引言

空間行波管是星載轉發器和星載合成孔徑雷達(SAR)發射機的關鍵部件[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，柵控行波管電源調制器(EPC電壓相對比較低，進而EPC體積較小，重量較輕，且由于其工作頻帶寬、頻率穩定度高等優點，在環境衛星、微波遙感衛星、海洋衛星等軍民用衛星系統中有著廣泛的應用[2]。在使用過程中要承受各種機械沖擊和振動，必須滿足各種機械環境應力的考驗，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。

輸出結構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，還影響行波管的穩定性與可靠性。高功率輸出結構的主要失效類型有：(1)介電故障導致陶瓷窗片穿孔；(2)窗片過熱導致其炸裂；(3)輸出窗封接結構不合理產生的應力引起輸出窗漏氣[3]；(4)在力學試驗過程中行波管輸出窗漏氣或者輸出窗與螺線斷開而導致輸出結構失效和行波管損壞。因此，有必要對輸出結構進行熱及力學等可靠性研究，為X波段脈沖空間行波管輸出結構的設計和優化以及整管的研制提供可靠的理論依據。

為了保證輸出結構及行波管的可靠性，國內外許多學者對輸出結構開展了工藝可靠性、可靠性熱設計及抗振可靠性研究。

在工藝可靠性方面，文獻[4]針對寬帶大功率行波管輸能窗的漏氣失效機理開展了氧化鈹陶瓷-金屬封接可靠性的研究，從陶瓷本身強度、封接材料匹配性及焊料潤濕性著手，結合工藝措施改進來提高封接可靠性；文獻[5]利用ANSYS軟件對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力進行了模擬評估；文獻[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。

在可靠性熱設計方面，文獻[7]利用熱力學有限元分析軟件對高斯模式輸出窗進行了穩態熱分析和結構形變分析；文獻[8]進行了Q波段回旋行波管寬帶高平均功率輸出窗設計與熱分析；文獻[9]利用ANSYS對某行波管同軸輸出結構進行了熱分析，分別研究了在駐波系數分別為1.25和2.5、輸出功率分別為50 W及100 W 4種情況下輸出結構的溫度分布及最高溫度；文獻[10]通過CST微波工作室對某200 W連續波行波管同軸輸出結構進行了熱分析，得出了輸出結構的溫度分布。

在抗振可靠性研究方面，文獻[11]利用有限元模擬仿真分析和隨機振動試驗相結合的方法，對某行波管輸能窗兩種結構進行了力學機理分析、動力學特性分析和隨機振動試驗。

以上文章對輸出結構可靠性研究，或通過工藝試驗的方法進行改進，或通過ANSYS有限元軟件進行熱分析，或只進行了部分力學可靠性分析和試驗驗證，分析研究不夠全面和深入。本文針對X波段脈沖空間行波管輸出結構，通過電、磁、熱及力多物理場耦合的方式對它進行了比較全面的熱、力和結構可靠性研究，并經過1000 h以上整管老練實驗及環境試驗，驗證了該輸出窗滿足空間環境試驗及使用要求。

2 輸出結構熱分析

由于輸出結構中窗片介質損耗的存在，當微波通過輸出窗時就會在窗片內產生高頻介質損耗，高頻輸出功率越高，產生的熱量就越大，窗片上的溫度就會越高，這時窗片內的熱應力就越大。由于受輸出微波模式的影響，當微波通過輸出窗時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，就有可能造成輸出窗片局部溫度過高，熱應力就會超過輸出窗片所能承受的熱應力，從而使輸出窗破裂。輸出結構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構采用盒型波導窗，如圖1所示，窗片采用藍寶石，輸出窗片上、下窗架采用可伐。該文主要通過以下方式對輸出窗進行熱分析。

圖1 X波段輸出窗結構示意圖

首先對輸出窗工作狀態下的電磁特性進行分析，得出電磁場在結構中的分布情況；其次計算由損耗產生的體生熱率，將其作為熱物理模型的激勵，再進行結構熱物理場的分析，得到結構溫度場分布及熱應力，如圖2所示。

圖2 X波段輸出窗結構多物理場熱分析流程圖

2.1 輸出窗電磁場分析

該輸出窗屬于圓波導，TE11和TM11是存在于窗中的兩個主要模式，由波導理論可知，圓波導TE11模和TM11模在圓柱坐標系下電場各分量的表達式分別可以寫為

TE11模：

TM11模：

行波管功率傳輸過程中的模式轉換如下：行波管輸出功率從圖1下端進入矩形波導(主模：TE10模)，經方-圓波導跳變連接至圓波導內(主模：TE11模)，再經過藍寶石窗片和右端圓-方波導跳變連接進入上端矩形波導(主模：TE10模)，最終輸出功率被輸出至下級并完成傳輸。實際計算時模擬設定的輸入功率均以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源，計算出輸出窗的電磁場分布。通過模擬計算可以得出， TE11模的相對功率約占整個輸出模式總功率的86.4％左右。圖3、圖4分別為輸出窗的電場、磁場分布，從圖中可以看出，輸出窗最大電場為1.860×105V/m，最大磁場為292.1 A/m，藍寶石的介電強度約4.8×107V/m[16]，由此可見，此輸出窗不會發生擊穿。

圖3 輸出窗的電場分布

圖4 輸出窗的磁場分布

2.2輸出窗熱分析

電磁場經過輸出窗時會產生損耗，主要包括：(1)電介質損耗，其產生原因為在外加電磁場的作用下介質內部極化產生的極化強度落后于電場的一個相角，產生與電場同相的極化電流，構成介質內部功率耗散，(2)磁介質損耗，亦稱渦流損耗，(3)歐姆損耗。以上損耗可以由以下方法計算得出。

式(11)可以改為

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

根據式(13)可得在電磁場作用下物質單位體積的功率損耗為

式(16)中第1項損耗為電介質損耗，第2項損耗為磁介質損耗，第3項為歐姆損耗。

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

圖5 輸出窗產生的體功率損耗密度分布

圖6 輸出窗產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。一般的熱分析設計方法對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種是根據場分布，在窗片上取點加載熱源。文中使用高頻電磁軟件CST中MPHYSICS多物理場耦合場分析模塊進行電磁-熱-耦合的方式自適應地將微波損耗作為熱源加載在輸出窗上，熱源加載簡便，計算精度高。輸出窗通過自身的支撐結構進行散熱，散熱方式為主要熱傳導。圖7為輸出窗的溫度場分布，圖8為輸出窗應力分布圖，從圖中可以看出，輸出窗中心處的溫度最高，輸出窗最大應力為12.45 MPa, 其屈服強度為400 MPa，結構強度安全裕度為：M.S=(400/(12.45×2))-1=15，滿足結構強度安全裕度設計要求。

圖7 輸出窗的溫度場分布

圖8 輸出窗應力分布圖

3 輸出結構力學可靠性分析

3.1 結構力學的基本方程

在結構動力學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：結構內部的慣性力、阻尼力和彈性內力之和應等于結構外部的作用力。應用式(18)進行結構力學分析計算和設計，使電子設備在規定的重量內和規定的設計尺寸內，可以設計出重量輕、強度大、剛度高、阻尼大的結構，以能承受各種地面力學試驗環境和上天的飛行環境的考驗。

3.1.1模態分析 在無外力作用且不考慮結構阻尼時，式(18)可退化為

式(19)也可寫成

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

3.1.2動力響應分析 在隨機(噪聲)振動、正弦振動、瞬時沖擊等動力外載荷作用時，可通過式(18)求解進行結構的動力響應分析，可獲得電子設備在動載荷作用下各結構單元的響應內力、應力、應變和結構節點的響應加速度、位移等量的預示值及分布情況，可獲得各結構單元在隨機譜密度函數作用下的結構均方根響應。

3.2輸出窗力學可靠性分析

首先對輸出結構進行了模態分析，表1為輸出結構前6階振動頻率。由表1可知，輸出結構基頻為5490.3 Hz，大于隨機振動頻率范圍10~2000 Hz，不會產生破壞性共振現象。

表1 輸出窗結構前6階模態頻率

然后分別按照X波段脈沖空間行波管詳細規范環境試驗條件(如表2-表5[17])對輸出窗進行了沖擊、加速度、正弦振動、隨機振動分析。

表2 沖擊試驗加載條件

表3 加速度試驗加載條件

表4 正弦振動試驗加載條件

表5 隨機振動試驗加載條件

圖9、圖10分別為輸出結構沖擊狀態下的等效應力及形變圖，從圖中可以看出，方向等效應力最大值為220.12 MPa，形變最大值為0.061556 mm，方向等效應力最大值為185.82 MPa，形變最大值為0.060591 mm, Z方向等效應力最大值為1.1354 MPa，形變最大值為1.5193×10-5mm，最大點在輸出針上，材料為Mo-1，其屈服強度為450 MPa，結構強度安全裕度為：M.S=(450/(220.12×2))-1= 0.02，安全裕度比較臨界。在駐波系數不產生明顯惡化的情況下，對輸出結構中輸能針的長度及過渡結構階梯的寬度、高度等尺寸進行了優化，并重新進行了力學分析，如圖11所示，方向等效應力最大，最大值為152.22 MPa，此時結構強度安全裕度為：M.S=(450/(152.22×2))-1=0.48，比原結構提高了23倍。

圖9 原輸出結構沖擊狀態下的等效應力圖

圖10 原輸出結構沖擊狀態下的形變圖

圖11 輸出結構(改進后)沖擊狀態下的等效應力圖

表6為輸出結構在加速度、正弦振動、隨機振動等狀態下的分析結果，從表中可以看出，在隨機振動狀態下方向等效應力和形變最大，最大值分別為86.544 MPa和0.16654 mm，最大點在輸出針上，材料為Mo-1，其屈服強度為450 MPa，結構強度安全裕度為：M.S=(450/(86.544×2))-1=1.6，滿足結構強度安全裕度設計要求。同時輸出結構所產生的形變不會影響駐波系數。

表6 X波段脈沖空間行波管力學條件下模擬結果匯總

經過以上模擬分析可以看出，改進后的X波段脈沖空間行波管輸出結構可以通過表2-表5所列的力學可靠性環境試驗量級而輸出結構不會損壞，且經模擬仿真，試驗過程中產生的形變不會導致輸出結構駐波系數發生明顯變化。

4 試驗驗證

通過以上理論及模擬分析， X波段脈沖空間行波管輸出結構理論上可以滿足該管的可靠性要求，為了進一步驗證其能否經受可靠性篩選試驗及應用要求，對其開展了表2-表5所列的加速度、沖擊、振動等可靠性環境試驗。

試驗結果表明，試驗過程中X波段脈沖空間行波管輸出結構未發生損壞，燈絲未出現短路、斷路現象，各電極間的絕緣性能保持良好，包裝件未出現變形、松脫等現象，試驗前后行波管峰值輸出功率、飽和增益、效率等指標未發生明顯變化，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試驗前后數據對比

5 結束語

該文對X脈沖空間行波管輸出結構通過電、磁、熱及力多物理場耦合的方式對它進行了熱學可靠性分析、力學結構可靠性分析及改進，從理論上該輸出結構滿足X波段脈沖空間行波管可靠性要求，并經過整管1000 h以上老練試驗及環境試驗驗證，試驗過程中輸出結構未發生損壞，且試驗前后行波管峰值輸出功率、飽和增益、效率等指標未發生明顯變化，行波管工作正常。故X波段脈沖輸出窗具有較高的可靠性，滿足空間環境試驗及使用要求，為X脈沖空間行波管上星應用提供了技術支撐。

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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；網絡出版：2016-06-16

尚新文 13811983040@139.com

國家科技重大專項(2012ZX01007004001)，國家自然科學基金(61401427)，中科院國防科技創新基金(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，研究方向為物理電子學.

李鑫偉： 男，1989年生，博士生，研究方向為物理電子學.

曹林林： 男，1983年生，助理研究員，主要研究方向為物理電子學.

肖 劉： 男，1975年生，研究員，主要研究方向為微波電子學、計算電磁學、空間行波管的模擬、設計及研發.

蘇小保： 男，1963年生，研究員，主要研究方向為微波電子學、低溫等離子體及應用.