一種波導焊接同軸窗的結構工藝可靠性?xún)?yōu)化

　　本文介紹了一種波導轉同軸窗結構工藝，該結構具有良好的抗熱沖擊、抗外力沖擊特性，特別適用于需多次高溫釬焊的耦合腔型行波管，該結構已推廣應用于多個(gè)行波管管型，均獲得了較好的使用效果。

　　在微波管中，耦合腔行波管是一類(lèi)重要的管型，廣泛應用于雷達和通信等軍事電子裝備。耦合腔行波管的高頻互作用部分采用全金屬慢波結構，慢波系統不用介質(zhì)材料絕緣支撐，因而，其散熱能力很好，可以獲得比螺旋線(xiàn)行波管高出一個(gè)數量級以上的平均功率;耦合腔行波管不像螺旋線(xiàn)行波管那樣有最高工作電壓限制，因此，耦合腔行波管可以獲得遠高于螺旋線(xiàn)行波管的峰值功率。耦合腔行波管高峰值功率、大平均功率的特點(diǎn)使其在很多場(chǎng)合都是優(yōu)選管型。

　　小型化一直是軍用電子裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向，這就需要作為雷達核心器件的行波管尺寸越來(lái)越小、重量越來(lái)越輕。傳統的耦合腔行波管輸入輸出接口一般均采用波導盒型窗方式。在整機上使用時(shí)，行波管的輸入端先連接一個(gè)波導同軸轉換器再與前級放大器連接，這就導致行波管的輸入系統占用了整機很大的空間，不利于整機的小型化。作為行波管輸入窗，一般功率量級較小，采用同軸窗輸入完全能滿(mǎn)足使用要求，而且跟波導盒型窗相比，同軸窗不僅尺寸結構小而且頻帶更寬、更容易獲得良好的匹配特性。本文詳述了一種銅波導焊接同軸窗的研制過(guò)程及結果。

1、問(wèn)題提出

　　在研制之初，為提高設計可靠性，直接參考螺旋線(xiàn)同軸窗結構，這種結構已在螺旋線(xiàn)型行波管中廣泛使用，是經(jīng)過(guò)嚴格環(huán)境試驗和用戶(hù)長(cháng)期使用驗證合格的結構，具有較好的可靠性，結構如圖1所示。這種結構的特點(diǎn)是：同軸窗的內導體采用針?lè )夥绞�，外導體采用外套封方式;窗針選用柔韌性較好的純鎳材料，可通過(guò)材料的屈服效應減輕使用時(shí)外力對針?lè )饷娴膿p傷。于是設計了與波導焊接的同軸窗，原始結構如圖2所示。在課題研制過(guò)程中，這種針?lè )馔�軸窗組件本身的封接成品率很高，但在使用到整管上時(shí)頻繁出現漏氣現象，導致高頻部件的大批量報廢，更為嚴重的是輸入窗的漏氣問(wèn)題直接影響了項目進(jìn)度。

2、結構優(yōu)化

　　從分析新管型與成熟管型結構工藝中的差異著(zhù)手，查找可能導致同軸窗漏氣的原因。首先，在結構方面，在螺旋線(xiàn)行波管中同軸窗的封接外筒與薄壁長(cháng)筒形的三通相連，而在耦合腔行波管中同軸窗的封接外筒與矩形波導的寬邊相連，兩者在焊接應力方面可能存在較大差異;其次，在工藝方面，耦合腔行波管與螺旋線(xiàn)行波管相比，其高頻部件的工藝特點(diǎn)是釬焊次數多，而且同軸窗需在高頻調試的第一步就釬焊到波導上，這就意味著(zhù)同軸窗將跟隨高頻部件多次反復進(jìn)氫爐焊接直至形成完整部件;最后，在使用方面，耦合腔行波管的高頻部件冷測調試步驟比螺旋線(xiàn)行波管復雜很多，在冷測調試過(guò)程中需對同軸窗進(jìn)行多次拆卸，也就是說(shuō)同軸窗需反復經(jīng)受外力考驗。

圖1　螺旋線(xiàn)同軸窗結構

圖2　與波導焊接的同軸窗原始結構示意

　　根據上述分析，并結合熱力學(xué)仿真，對同軸窗的結構進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的結構如圖3所示。這種結構的特點(diǎn)是：窗針選用與瓷片熱膨脹系數更為接近的材料;在匹配特性許可的前提下，在窗針與窗片封接處增加一個(gè)凸臺，大幅度加大了窗針與窗片的封接面積;縮短窗針的長(cháng)度，通過(guò)外部插件的協(xié)同設計來(lái)實(shí)現內導體的連接;減小波導壁的厚度，降低外部結構應力。

圖3　與波導焊接的同軸窗優(yōu)化結構示意圖

　　2.1、熱分析

　　首先利用ANSYS軟件對圖1所示螺旋線(xiàn)同軸窗結構和圖2所示與波導焊接的同軸窗原始結構的焊接熱應力進(jìn)行了計算機仿真計算，然后以此為參考進(jìn)行了結構優(yōu)化。在計算時(shí)，將焊料熔化溫度時(shí)的零件狀態(tài)設為初始狀態(tài)并將焊接面固定，考查組件降至常溫時(shí)窗片上的熱應力大小。圖4(a)是螺旋線(xiàn)同軸窗結構，窗片上的熱應力分布情況，圖4(b)是與波導焊接的同軸窗原始結構，窗片上的熱應力分布情況，圖4(c)是與波導焊接的同軸窗優(yōu)化結構后，窗片上的熱應力分布情況。仿真結果表明，結構優(yōu)化后的熱應力下降約80%。

圖4　窗片上的熱應力分布

　　2.2、結構靜力分析

　　同軸窗在使用過(guò)程中須與外部插件多次拆裝。當窗針與外部接插件同軸度不好時(shí)，旋轉外部接插件等于不斷對窗針施以外力，需要通過(guò)結構優(yōu)化來(lái)降低窗針與窗片間的拉應力。

　　這里同樣使用了ANSYS軟件。計算模型如圖5(a)所示，在仿真時(shí)，對窗針加載固定大小的外力，考查窗片表面的拉應力大小。圖5(b)和圖5(c)分別是優(yōu)化前原始結構和優(yōu)化結構后窗片表面拉應力分布圖，計算結果表明，優(yōu)化后窗片上的拉應力下降了約60%。

　　2.3、實(shí)驗驗證

　　經(jīng)結構優(yōu)化后，釬焊封接了4個(gè)同軸窗，氣密性檢查全部合格。人為將外部接插件同心度變差，反復安裝多次后復檢均無(wú)漏氣現象。將上述4個(gè)同軸窗置于氫爐中加熱至800℃后復檢無(wú)漏氣現象，并將此高溫烘烤試驗重復5次后復檢仍無(wú)漏氣現象。這一系列的試驗充分證明優(yōu)化后的同軸窗完全能滿(mǎn)足使用要求。

圖5　計算模型以及優(yōu)化前后窗片表面拉應力分布

3、結論

　　本文通過(guò)熱力學(xué)分析完成了一種焊接于波導上的針?lè )馔�軸窗結構的優(yōu)化，通過(guò)實(shí)驗驗證該結構具有良好的抗熱沖擊、抗外力沖擊特性，特別適用于需多次高溫釬焊的耦合腔型行波管，該結構已推廣應用于X波段、Ku波段的多個(gè)行波管管型，均獲得了較好的使用效果。