工作脉宽对W波段行波管温度的影响研究.pdf

真空电子技术VACUUM ELECTRONICS整管研究工作脉宽对W波段行波管温度的影响研究高畅，张小青，杜英华，潘攀，蔡军，冯进军（北京真空电子技术研究所微波电真空器件国家级重点实验室，北京10 0 0 15）摘要：毫米波行波管具有大功率、宽频带、高效率等特点，在雷达、高速通信、电子对抗等现代电子装备中广泛应用。本文基于Ansys软件对W波段行波管进行热特性仿真，分析工作脉宽对行波管温度的影响。随着工作脉宽的增加，行波管温度升高，在占空比35%下，脉宽0.1、1和3s的行波管温度分别达到了连续波行波管温度的56.8%，8 0.7%和8 7.2%。提高占空比至7 0%，脉宽0.1和1s的行波管温度已达到连续波行波管温度的8 4%和9 6%，接近于连续波工作状态的行波管温度。通过分析不同脉宽的行波管温度差异，为长脉宽W波段行波管热可靠性设计奠定技术基础。关键词：脉宽；占空比；脉冲行波管；连续波行波管；热分析中图分类号：TN124doi:10.16540/11-2485/tn.2023.05.11Effect of Working Pulse-Width on the Temperature of文献标识码：A文章编号：10 0 2-8 935(2 0 2 3)0 5-0 0 7 6-0 5W-Band Traveling Wave TubesGAO Chang,ZHANG Xiao-qing,DU Ying-hua,PAN Pan,CAI Jun,FENG Jin-jun(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics,Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing 100015,China)Abstract:Millimeter-wave traveling-wave tubes（(T W T s)h a v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h p o w e r,broad band and high efficiency,and are widely used in modern electronic equipment such as radar,high-speed communication and electronic countermeasures.Based on ANSYS software,the thermal characteris-tics of the W-band TWT are simulated,and the influence of working pulse-width on the temperature of theTWT is analyzed.With the increase of working pulse-width,the temperature of the TWT increases.Atthe duty-cycle of 35%,the temperatures of the TWTs with pulse-width of 0.1 seconds,1 second and 3seconds reach 56.8%,80.7%and 87.2%of the continuous-wave(CW)TWT temperature,respectively.Increasing the duty-cycle to 70%,the temperatures of the TWTs with pulse-width of 0.1 seconds and 1second reach 84%and 96%of the temperature of the CW TWT,which is close to the temperature of theTWT in the continuous wave operating state.By analyzing the temperatures of the TWTs with differentpulse-widths,the research lays a foundation for the thermal reliability design of W-band TWTs with longpulse-width.Keywords:Pulse-width,Duty-cycle,Pulse TWT,CW traveling wave tube,Thermal analysis行波管是一种重要的微波功率放大器，作为雷达、卫星通信、电子对抗等系统的核心部件11。近年来，针对新一代武器装备和高端仪器设备对W波段行波管的应用需求，许多技术人员在工作脉宽、占空比、输出功率、行波管结构尺寸等方面做了大量研究工作。一般而言，螺旋线慢波结构具有十分宽的频带762023-05特性,工作电压较低,互作用效率较高，但频率升高至W波段时，在结构绕制和散热方面都难以达到行波管要求，其输出功率很大程度上受制于螺旋线热耗散能力的限制2 ，然而折叠波导作为全金属慢波结构，具有较强的散热能力，可以承载高功率输出，因此本文研究对象为全金属折叠波导W波段行波管。VACUUM ELECTRONICS行波管有脉冲和连续波两种工作方式，大功率行波管产热较高，为避免高热融化烧毁互作用电路，多采用脉冲工作方式。除了保证大功率W波段行波管电性能，还需考虑其散热能力以及产生的热变形和热应力的影响，北京真空电子技术研究所研制的大功率W波段脉冲行波管在30%占空比、1ms脉宽下，实现输出功率大于18 0 W，工作电压为15.66kV，电流为150 mA3。由于新一代雷达和主动拒止系统等对行波管工作脉宽的要求已从毫秒级向秒级提升，目前W波段行波管最大脉宽为毫秒级，还没有脉宽10 0 ms及以上行波管的相关研究报道。因此，本文基于Ansys 软件的 Thermal 分析模块，开展工作脉宽对W波段行波管温度影响研究。首先建立输出功率30 0 W的W波段折叠波导行波管模型并进行仿真设置求解行波管温度场；其次通过对比稳态分析和瞬态分析的连续波行波管温度结果，验证了瞬态分析方法的可行性；最后分别在35%和7 0%占空比下，仿真分析不同脉宽的行波管温度差异。1模型特征与仿真设置本文研究的W波段行波管采用皮尔斯电子枪、折叠波导慢波结构、周期永磁聚焦系统、四级降压收集极，工作指标如表1所示。该行波管具有脉宽长、功率密度大的特点，因此进行合理的热设计使其满足使用性能和工作可靠性要求。表1大功率W波段行波管工作指标参数参数值工作电压17.4 kV电流140mA占空比35%在行波管设计过程中，满足行波管电性能指标的基础上，考虑材料性能，优化结构和热量传递方式，提高该行波管传热冷却能力。热量传递的三种方式为传导、对流和热辐射4。行波管结构复杂，主要构成材料包括无氧铜、电工纯铁、铁镍钻瓷封合金、氮化铝陶瓷和硬铝等。热分析仿真设置包括：建立W波段行波管仿真模型，定义材料性能参数；划分网格，其ANSYS仿真有限元模型如图1所示；施加载荷和边界条件，进行温度场的求解。行波管发热源主要分为四部分5：电子枪、慢波结构、输能窗和收集极。本文W波段行波管在连续波工作状态（占空比10 0%）下，电子枪阴极发射面真空电子技术ANSYS80.00mm20.0060.00图1ANSYS仿真有限元模型工作温度为10 50，由于该电子枪技术成熟，具有较高的热可靠性，因此在后续分析结果云图中隐藏了电子枪内部温度分布情况。设定流通率为99%，慢波互作用电路产生的热耗共计10 0.36 W，包括慢波系统因电子截获产生的直流热耗2 4.36 W和电磁模拟软件计算出的高频损耗7 6 W。收集极热耗来自于各级回收的电子动能之和，由各级电压和电流共同决定6 ，按照MTSS模拟结果设置收集极热载荷。实测的输能窗插人损耗为0.48 dB,来源于窗架传输损耗和窗片介质损耗，产生热耗35.0 6 W。同时考虑自然空气对流换热和辐射换热，行波管底板采用常温水冷循环系统传导散热，主要的热载荷和边界条件如表2 所示。表2 热载荷和边界条件施加对象载荷类型阴极发射面温度载荷慢波结构热载荷输能窗热载荷参数参数值脉宽100ms输出功率300W载荷数值1050100.36W35.06W第一收集极热载荷第二收集极热载荷第三收集极热载荷第四收集极热载荷行波管外表面自然空气流动散热底板循环水流动2稳态与瞬态仿真对比热分析基于能量守恒原理，稳态热分析计算的系统温度不随时间发生变化，流人系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，处于热稳态；瞬态热分析是系统在加热或冷却的过程，其系统温度、热流率、热边界条件以及系统内能均随时间发生变化。如图2 所示，在稳态热分析中，连续波行波管达到热平衡稳定工作时，最高温度为18 3.8 2 位于收集极，图3仅显示了图2 行波管分析结果云图的收集极-热源部分。收集极将回收注-波互作用7747.67W30.82W49.47W47.08W8X10-6W/mm21.5X10-3W/mm22023-05真空电子技术VACUUM ELECTRONICS后的电子能量转化为热能耗散，是行波管最高热源（除电子枪内部阴极外），通过MTSS模拟的电子能量分布来设置其热载荷，第一收集极由于换热面积相比其他电极小，电子能量分布较为集中，传热能力弱，故为最高温度位置。teThemLomperatur2023/51711:4523.682行波管升温过程，经过8 0 s时长，行波管最高热源收集极温度为17 4.0 2，约为稳态分析行波管热源温度的9 5%，温度相差9.8。对比稳态和瞬态分析结果，验证了瞬态分析计算行波管温度方法的可行性。H:TransientThermalTyee-TemperatureTemperature2Time80UicCcustomMac174.02Min:76.8912023/5/714:09174.02163.23152.44141.64130.85120.06109.2787.68498.47676.891GraphAnimationmm174.02150125100755021.74450图4收集极热源工作8 0 s时长的瞬态分析782023-05在连续工作状态下进行瞬态热分析，设定连续波行波管功耗为P，分别计算0.35P和0.7 P的平均功耗行波管温度，其热功耗载荷随时间变化的曲线均是一条水平直线，即热载荷为定值，不随时间发生变化,以第一收集极功耗(P=47.67W)为例,同理设置各个部分的热功耗载荷，如表3所示，经过8 0 s时长后，0.35P的行波管最高温度达到7 5.2 0 9，是.79.08343.605m67.309元88.3 3 2Mx32.54399.699图2 行波管温度分布云图a.Steady-StateThermalMesTemperaturemeiustom2023/5/711:52169.48183.82126.46155.14140.8112.1283.44497.78469.10454.765相比于稳态分析，图4所示的瞬态分析连续波96.275Max(a)温度分布云图25ec(Auto)10Frames1020连续波行波管温度的43.2%；0.7 P的行波管温度为128.42，是连续波行波管温度的7 3.8%。表3工作8 0 s的行波管最高温度(除电子枪阴极工作方式行波管类型平均功耗第一收集极功耗/W83.68672.32MX图3收集极热源稳态分析30450(b)温度增长曲线连续工作方式35%占空比7 0%占空比10 0%占空比0.35P0.7P16.68533.36980s时长的最高温度/75.209连续波行波管温度的占比43.2%3不同脉宽的行波管热分析行波管温度变化与所加的工作脉宽有密切关系，在窄脉宽下，系统达到最终恒定的平衡温度较低，而长脉宽时温度较高。在进行瞬态热仿真时，不同工作脉宽行波管的热载荷设置均是随时间变化的方波函数，结果描述的行波管温度曲线是最高瞬态温度。在占空比35%下，分别分析脉宽0.1、1和3s行波管的热特性。(1)35%占空比、0.1s脉宽的行波管热分析占空比35%、脉宽0.1s脉冲行波管（绿线），平均功耗(0.35P)行波管和连续波行波管的热载荷曲线如图5（a)所示，对比这三种行波管热分析的仿真87.8结果，如图5(b)所示，随着时间的增长，行波管温度升高，当热分析计算到49.8 s时，占空比为35%、脉宽为0.1s行波管温度达到8 0，平均功耗行波管温度为6 8.6，连续波行波管温度为140.7 5。由此可知，0.1s脉宽行波管温度在平均功耗行波管温度曲线上下波动，是平均功耗行波管温度的1.17倍，温度升高了11.4。0.1s脉宽行波管温度达80到了连续波行波管工作温度的56.8%。(2)35%占空比、1s脉宽的行波管热分析35%占空比、1s脉宽的脉冲行波管（蓝线），平均热功耗(0.35P)行波管和连续波行波管的热功耗6070P47.67128.42174.0273.8%100%80载荷曲线如图6(a)所示，对比这三种行波管热分析的仿真结果，如图6（b)所示，当行波管热分析仿真到6 3.8 5s时，35%占空比、1s脉宽行波管温度达VACUUM ELECTRONICS到117.2 5，平均功耗行波管温度为7 0.7 6，连续均功耗行波管温度的1.6 6 倍，温度升高了波行波管温度为145.2。由此可知，1s脉宽行波46.49，1s 脉宽行波管温度达到了连续波行波管管温度在平均功耗行波管温度曲线上下波动，是平工作温度的 8 0.7%。D=35%,脉宽0.1 sD=35%,脉宽1 s一0.3 5P0.35 P50：10 0%连续功耗P45403530M/d25201510501501209060300图5连续波、35%占空比，脉宽0.1s和平均热功耗（0.35P）行波管热分析(3)35%占空比、3s脉宽的行波管热分析占空比35%、脉宽3s脉冲行波管（黄线），平均热功耗（0.35P)行波管和连续波行波管的热功耗载荷曲线如图7(a)所示，对比这三种行波管热分析的仿真结果，如图7(b)所示，当行波管热分析模拟到62.8s时，35%占空比、3s脉宽行波管温度达到126.5，平均功耗行波管温度为7 0.6 4，连续波行波管温度为145。由此可知，3s脉宽行波管温度在平均功耗行波管温度曲线上下波动，是平均功耗行波管温度的1.7 9倍，温度升高了55.8 6。脉宽3s行波管温度达到了连续波行波管温度的 8 7.2%。(4)70%占空比、0.1和1s脉宽的行波管热分析为分析高占空比下，不同脉宽对行波管温度的影响，进行了占空比7 0%、脉宽0.1和1.s的行波管瞬态热分析。仿真结果如图8 所示，在占空比7 0%真空电子技术50100%连续功耗P47.6745403530M/d252016.68515105012t/s(a)热载荷曲线D=35%,脉宽0.1s-0.35P一10 0%连续功耗P1020t/s(b)行波管温度变化曲线47.6716.6853430405140.758068.65012345678910t/s(a)热载荷曲线D=35%,脉宽1 s1500.35P一10 0%连续功耗P12090DolL60300图6 连续波、35%占空比，1s脉宽和平均热功耗(0.35P)行波管热分析下，脉宽0.1和1s的行波管温度分别在平均功耗(0.7P)行波管温度曲线上下波动，是其平均功耗行波管温度的1.0 5和1.17 倍，温度分别升高了5和2 0.3。脉宽0.1s行波管温度达到连续波行波管温度的8 4%，脉宽1s行波管温度达到了连续波行波管温度的96%，接近于连续波行波管工作温度。相比于占空比35%，占空比7 0%的行波管在增加工作脉宽时，其温度增长幅度变得缓慢。4结论本文基于Ansys软件的Thermal分析模块，对W波段折叠波导行波管进行热特性研究，分析了不同工作脉宽对行波管温度的影响。在占空比35%下,增加工作脉宽,行波管温度随之升高，脉冲0.1 s行波管温度是平均功耗（0.35P)行波管温度的1.17倍，温度升高11.4；脉宽1s行波管温度是平均功耗行波管温度的1.6 6 倍，温度升高46.49；脉宽3s行波管温度是平均功耗行波管温度的1.7 9倍，79145.2117.2570.761326t/s(b)行波管温度变化曲线39522023-0565真空电子技术VACUUM ELECTRONICSD=35%,脉宽3 s-0.35 P50100%连续功耗P45403530M/d2520151050369121518 21 24 2730t/s(a)热载荷曲线D-=35%,脉宽3 s0.35P150一10 0%连续功耗P1209060300图7 连续波、35%占空比，脉宽3s和平均热功耗（0.35P)行波管热分析1301047852260图8占空比7 0%脉冲行波管及连续波行波管温度变化曲线温度升高55.8 6。另外，占空比35%的平均功耗行波管和脉宽0.1、1、3s行波管温度分别达到了连47.67续波行波管温度的43.2%和56.8%，8 0.7%，87.2%，逐渐接近连续波工作温度。提高占空比至70%，脉宽0.1和1s行波管温度可达到连续波行波管温度的8 4%和96%。对比不同工作脉宽行波管温度差异，为长脉冲W波段折叠波导行波管的热16.685可靠性设计提供参考。参考文献1 王传兵：小型化行波管散热研究D.成都：电子科技大学，2 0 0 6.2 金宗飞：W波段折叠波导行波管的研究D.成都：电145子科技大学，2 0 16.126.53J Du Yinghua,Cai Jun,Zhang Xiaoqing,et al.A Substan-tially Lowered-Voltage High-Power W-Band Pulsed70.64Traveling Wave TubeJ.IEEE Microwave and Wire-less Components Letters,2021,31(6):590-592.4 张天孙，卢改林传热学M.北京：中国电力出版社，1工1326t/s(b)行波管温度变化曲线：-D=70%脉宽0.1s-D=70%脉宽1s-0.7 P-100%连续功耗P11.53.04.56.07.59.010.512.013.5t/s395211A7,=20.3MAAGAMRAT,=5C1652006:13-14.5陈焰飞，谢青梅，刘世硕，等无线通信用E波段行波管放大器热力学可靠性研究J.真空电子技术，2 0 2 1，(03):24-27+40.6李建兵，郭盼盼，王永康，等小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计J.强激光与粒子束，2 0 19，31（11）：49-54,收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 3作者简介：高畅（1994-），女，工程师，主要研究方向为短毫米波真空电子器件的研制；E-mail：g a o c h a n g 10 。802023-05