X波段脉冲空间行波管输出结构可靠性研究

尚新文 李鑫伟 曹林林 肖 刘 苏小保



X波段脉冲空间行波管输出结构可靠性研究

尚新文*①②③李鑫伟①②③曹林林①②肖 刘①②苏小保①②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)②(中国科学院高功率微波源与技术重点实验室 北京 101400)③(中国科学院大学 北京 100049)

X波段脉冲空间行波管主要用于轻型SAR等雷达系统，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。输出结构是行波管的重要部件，其可靠性不仅影响行波管的输出功率等性能，还影响行波管的稳定性与可靠性。该文针对X脉冲空间行波管输出结构进行可靠性研究，通过电、磁、热多物理场耦合的方式对它进行热、力结构可靠性分析，按分析结果对输出结构薄弱环节进行改进，耐冲击能力增强，并经过1000 h以上的整管老练及空间环境试验验证，输出结构具有较高的可靠性，满足空间环境试验及使用要求。

脉冲空间行波管；多物理场耦合；输出结构；可靠性

1 引言

空间行波管是星载转发器和星载合成孔径雷达(SAR)发射机的关键部件[1]，其作用是微波功率放大。本文研究的X波段脉冲空间行波管为栅控脉冲行波管，和其它脉冲行波管相比，栅控行波管电源调制器(EPC电压相对比较低，进而EPC体积较小，重量较轻，且由于其工作频带宽、频率稳定度高等优点，在环境卫星、微波遥感卫星、海洋卫星等军民用卫星系统中有着广泛的应用[2]。在使用过程中要承受各种机械冲击和振动，必须满足各种机械环境应力的考验，要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。

输出结构是行波管的重要部件，其可靠性不仅影响行波管的输出功率等性能，还影响行波管的稳定性与可靠性。高功率输出结构的主要失效类型有：(1)介电故障导致陶瓷窗片穿孔；(2)窗片过热导致其炸裂；(3)输出窗封接结构不合理产生的应力引起输出窗漏气[3]；(4)在力学试验过程中行波管输出窗漏气或者输出窗与螺线断开而导致输出结构失效和行波管损坏。因此，有必要对输出结构进行热及力学等可靠性研究，为X波段脉冲空间行波管输出结构的设计和优化以及整管的研制提供可靠的理论依据。

为了保证输出结构及行波管的可靠性，国内外许多学者对输出结构开展了工艺可靠性、可靠性热设计及抗振可靠性研究。

在工艺可靠性方面，文献[4]针对宽带大功率行波管输能窗的漏气失效机理开展了氧化铍陶瓷-金属封接可靠性的研究，从陶瓷本身强度、封接材料匹配性及焊料润湿性着手，结合工艺措施改进来提高封接可靠性；文献[5]利用ANSYS软件对Al2O3陶瓷窗片在毫米波盒形窗中的微波性能及其封接残余应力进行了模拟评估；文献[6]研究了一种高可靠氧化铍Ka波段盒型输能窗，满足气密性和物理特性要求。

在可靠性热设计方面，文献[7]利用热力学有限元分析软件对高斯模式输出窗进行了稳态热分析和结构形变分析；文献[8]进行了Q波段回旋行波管宽带高平均功率输出窗设计与热分析；文献[9]利用ANSYS对某行波管同轴输出结构进行了热分析，分别研究了在驻波系数分别为1.25和2.5、输出功率分别为50 W及100 W 4种情况下输出结构的温度分布及最高温度；文献[10]通过CST微波工作室对某200 W连续波行波管同轴输出结构进行了热分析，得出了输出结构的温度分布。

在抗振可靠性研究方面，文献[11]利用有限元模拟仿真分析和随机振动试验相结合的方法，对某行波管输能窗两种结构进行了力学机理分析、动力学特性分析和随机振动试验。

以上文章对输出结构可靠性研究，或通过工艺试验的方法进行改进，或通过ANSYS有限元软件进行热分析，或只进行了部分力学可靠性分析和试验验证，分析研究不够全面和深入。本文针对X波段脉冲空间行波管输出结构，通过电、磁、热及力多物理场耦合的方式对它进行了比较全面的热、力和结构可靠性研究，并经过1000 h以上整管老练实验及环境试验，验证了该输出窗满足空间环境试验及使用要求。

2 输出结构热分析

由于输出结构中窗片介质损耗的存在，当微波通过输出窗时就会在窗片内产生高频介质损耗，高频输出功率越高，产生的热量就越大，窗片上的温度就会越高，这时窗片内的热应力就越大。由于受输出微波模式的影响，当微波通过输出窗时被窗片吸收的损耗功率在窗片上分布不均匀，而窗片吸收的功率过大时，就有可能造成输出窗片局部温度过高，热应力就会超过输出窗片所能承受的热应力，从而使输出窗破裂。输出结构通常由真空密封窗和阻抗变换器两部分组成。X波段脉冲空间行波管输出结构采用盒型波导窗，如图1所示，窗片采用蓝宝石，输出窗片上、下窗架采用可伐。该文主要通过以下方式对输出窗进行热分析。

图1 X波段输出窗结构示意图

首先对输出窗工作状态下的电磁特性进行分析，得出电磁场在结构中的分布情况；其次计算由损耗产生的体生热率，将其作为热物理模型的激励，再进行结构热物理场的分析，得到结构温度场分布及热应力，如图2所示。

图2 X波段输出窗结构多物理场热分析流程图

2.1 输出窗电磁场分析

该输出窗属于圆波导，TE11和TM11是存在于窗中的两个主要模式，由波导理论可知，圆波导TE11模和TM11模在圆柱坐标系下电场各分量的表达式分别可以写为

TE11模：

TM11模：

行波管功率传输过程中的模式转换如下：行波管输出功率从图1下端进入矩形波导(主模：TE10模)，经方-圆波导跳变连接至圆波导内(主模：TE11模)，再经过蓝宝石窗片和右端圆-方波导跳变连接进入上端矩形波导(主模：TE10模)，最终输出功率被输出至下级并完成传输。实际计算时模拟设定的输入功率均以TE10模式给定。

X波段脉冲空间行波管中心频率为9.5 GHz，峰值输出功率1.0 kW，工作比12%，将其作为输出窗的激励源，计算出输出窗的电磁场分布。通过模拟计算可以得出， TE11模的相对功率约占整个输出模式总功率的86.4％左右。图3、图4分别为输出窗的电场、磁场分布，从图中可以看出，输出窗最大电场为1.860×105V/m，最大磁场为292.1 A/m，蓝宝石的介电强度约4.8×107V/m[16]，由此可见，此输出窗不会发生击穿。

图3 输出窗的电场分布

图4 输出窗的磁场分布

2.2输出窗热分析

电磁场经过输出窗时会产生损耗，主要包括：(1)电介质损耗，其产生原因为在外加电磁场的作用下介质内部极化产生的极化强度落后于电场的一个相角，产生与电场同相的极化电流，构成介质内部功率耗散，(2)磁介质损耗，亦称涡流损耗，(3)欧姆损耗。以上损耗可以由以下方法计算得出。

式(11)可以改为

右边第1项是极化损耗功率密度，第2项是磁化损耗功率密度，第3项是焦耳损耗功率密度，第4项是局外电流有功功率密度。

根据式(13)可得在电磁场作用下物质单位体积的功率损耗为

式(16)中第1项损耗为电介质损耗，第2项损耗为磁介质损耗，第3项为欧姆损耗。

电磁场经过输出窗产生的功率损耗分布如图5、图6所示，从图中可以看出，输出窗所产生的体功率损耗密度最大处在蓝宝石窗片中心位置，大小为8.615×104W/m3，输出窗所产生的表面功率损耗密度最大处在输出窗支撑结构边缘，大小为2.058×103W/m2。

图5 输出窗产生的体功率损耗密度分布

图6 输出窗产生的表面功率损耗密度分布

将以上微波损耗作为输出窗的热源，加载在输出窗上。一般的热分析设计方法对热源加载主要有两种方法，第1种是在窗片表面均匀加载功率密度；第2种是根据场分布，在窗片上取点加载热源。文中使用高频电磁软件CST中MPHYSICS多物理场耦合场分析模块进行电磁-热-耦合的方式自适应地将微波损耗作为热源加载在输出窗上，热源加载简便，计算精度高。输出窗通过自身的支撑结构进行散热，散热方式为主要热传导。图7为输出窗的温度场分布，图8为输出窗应力分布图，从图中可以看出，输出窗中心处的温度最高，输出窗最大应力为12.45 MPa, 其屈服强度为400 MPa，结构强度安全裕度为：M.S=(400/(12.45×2))-1=15，满足结构强度安全裕度设计要求。

图7 输出窗的温度场分布

图8 输出窗应力分布图

3 输出结构力学可靠性分析

3.1 结构力学的基本方程

在结构动力学中描述离散化模型的一般常微分方程为

式(18)的物理意义为：结构内部的惯性力、阻尼力和弹性内力之和应等于结构外部的作用力。应用式(18)进行结构力学分析计算和设计，使电子设备在规定的重量内和规定的设计尺寸内，可以设计出重量轻、强度大、刚度高、阻尼大的结构，以能承受各种地面力学试验环境和上天的飞行环境的考验。

3.1.1模态分析 在无外力作用且不考虑结构阻尼时，式(18)可退化为

式(19)也可写成

式(21)为结构的特征方程，求解式(21)可获得结构部件的各阶固有频率。从式(21)可见部件的固有频率与结构的刚度矩阵和质量直接相关，提高结构刚度或减少结构质量均能提高部件的固有频率。

3.1.2动力响应分析 在随机(噪声)振动、正弦振动、瞬时冲击等动力外载荷作用时，可通过式(18)求解进行结构的动力响应分析，可获得电子设备在动载荷作用下各结构单元的响应内力、应力、应变和结构节点的响应加速度、位移等量的预示值及分布情况，可获得各结构单元在随机谱密度函数作用下的结构均方根响应。

3.2输出窗力学可靠性分析

首先对输出结构进行了模态分析，表1为输出结构前6阶振动频率。由表1可知，输出结构基频为5490.3 Hz，大于随机振动频率范围10~2000 Hz，不会产生破坏性共振现象。

表1 输出窗结构前6阶模态频率

然后分别按照X波段脉冲空间行波管详细规范环境试验条件(如表2-表5[17])对输出窗进行了冲击、加速度、正弦振动、随机振动分析。

表2 冲击试验加载条件

表3 加速度试验加载条件

表4 正弦振动试验加载条件

表5 随机振动试验加载条件

图9、图10分别为输出结构冲击状态下的等效应力及形变图，从图中可以看出，方向等效应力最大值为220.12 MPa，形变最大值为0.061556 mm，方向等效应力最大值为185.82 MPa，形变最大值为0.060591 mm, Z方向等效应力最大值为1.1354 MPa，形变最大值为1.5193×10-5mm，最大点在输出针上，材料为Mo-1，其屈服强度为450 MPa，结构强度安全裕度为：M.S=(450/(220.12×2))-1= 0.02，安全裕度比较临界。在驻波系数不产生明显恶化的情况下，对输出结构中输能针的长度及过渡结构阶梯的宽度、高度等尺寸进行了优化，并重新进行了力学分析，如图11所示，方向等效应力最大，最大值为152.22 MPa，此时结构强度安全裕度为：M.S=(450/(152.22×2))-1=0.48，比原结构提高了23倍。

图9 原输出结构冲击状态下的等效应力图

图10 原输出结构冲击状态下的形变图

图11 输出结构(改进后)冲击状态下的等效应力图

表6为输出结构在加速度、正弦振动、随机振动等状态下的分析结果，从表中可以看出，在随机振动状态下方向等效应力和形变最大，最大值分别为86.544 MPa和0.16654 mm，最大点在输出针上，材料为Mo-1，其屈服强度为450 MPa，结构强度安全裕度为：M.S=(450/(86.544×2))-1=1.6，满足结构强度安全裕度设计要求。同时输出结构所产生的形变不会影响驻波系数。

表6 X波段脉冲空间行波管力学条件下模拟结果汇总

经过以上模拟分析可以看出，改进后的X波段脉冲空间行波管输出结构可以通过表2-表5所列的力学可靠性环境试验量级而输出结构不会损坏，且经模拟仿真，试验过程中产生的形变不会导致输出结构驻波系数发生明显变化。

4 试验验证

通过以上理论及模拟分析， X波段脉冲空间行波管输出结构理论上可以满足该管的可靠性要求，为了进一步验证其能否经受可靠性筛选试验及应用要求，对其开展了表2-表5所列的加速度、冲击、振动等可靠性环境试验。

试验结果表明，试验过程中X波段脉冲空间行波管输出结构未发生损坏，灯丝未出现短路、断路现象，各电极间的绝缘性能保持良好，包装件未出现变形、松脱等现象，试验前后行波管峰值输出功率、饱和增益、效率等指标未发生明显变化，如表7所示，行波管工作正常。

表7 X波段脉冲空间行波管力学试验前后数据对比

5 结束语

该文对X脉冲空间行波管输出结构通过电、磁、热及力多物理场耦合的方式对它进行了热学可靠性分析、力学结构可靠性分析及改进，从理论上该输出结构满足X波段脉冲空间行波管可靠性要求，并经过整管1000 h以上老练试验及环境试验验证，试验过程中输出结构未发生损坏，且试验前后行波管峰值输出功率、饱和增益、效率等指标未发生明显变化，行波管工作正常。故X波段脉冲输出窗具有较高的可靠性，满足空间环境试验及使用要求，为X脉冲空间行波管上星应用提供了技术支撑。

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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；网络出版：2016-06-16

尚新文 13811983040@139.com

国家科技重大专项(2012ZX01007004001)，国家自然科学基金(61401427)，中科院国防科技创新基金(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，工程师，博士生，研究方向为物理电子学.

李鑫伟： 男，1989年生，博士生，研究方向为物理电子学.

曹林林： 男，1983年生，助理研究员，主要研究方向为物理电子学.

肖 刘： 男，1975年生，研究员，主要研究方向为微波电子学、计算电磁学、空间行波管的模拟、设计及研发.

苏小保： 男，1963年生，研究员，主要研究方向为微波电子学、低温等离子体及应用.