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磁控管热分析 |
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作者：电子科技大学 姚列明 杨中海 |
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摘 要：磁控管是一种效率最高的大功率微波源，其特点是输出的功率大，效率高，体积小，重量轻，成本低，因而它不仅在军事领域得到了广泛的应用，在民用领域也得到了很好的应用。随着雷达、航天航空、电子对抗、微波加热等技术的发展，需要磁控管有更好工作稳定性、频率稳定性和更长的工作寿命。磁控管在工作中产生的高温会导致频率漂移、阳极过热而损坏等问题，因此对磁控管的热分析有助于提高磁控管的可靠性，为磁控管的优化设计提供很好的参考依据。本文分别利用ＡＮＳＹＳ的高频电磁场模块、热分析模块、结构分析模块和流体分析模块计算了磁控管的频率热漂移，并对阳极表面的散热进行了分析，计算结果与实验结果一致。
关键词：磁控管 热分析 频率热漂移 可靠性
1 前言
随着雷达、航天航空、电子对抗、微波加热等技术的发展，磁控管的应用越来越广泛。从输出功率、效率和可靠性的观点考虑，在今后的相当长的一段时期内，磁控管仍将在大功率和高频率应用中继续充当主要角色[1]。磁控管工作时，磁控管振荡频率受环境温度、冷却条件的改变及调谐机构及调制器的过热状态等的影响而发生的变化。定量分析磁控管的传热特性，预测高温对工作频率的影响，对调整结构，优化设计，提高磁控管的稳定性和可靠性有很大帮助。
目前的主要分析手段为计算机模拟。通过计算机模拟，不断改进理论预测，使得磁控管的理论更加完善，并用模拟结果直接指导设计过程，使之在磁控管设计阶段就能进行精确计算及性能预测，提供实现更优化或最优化设计方案的手段[2]。
本文利用ANSYS软件分析计算了磁控管的温度分布，定性地比较了常温和高温下其谐振腔振荡频率的变化，为了解磁控管的腔体变形情况提供了有效的参考依据，从而获得更合理的腔体的形状和尺寸。计算机模拟为磁控管设计提供了快捷、高效、可靠的方法。
2 磁控管谐振腔在“冷状态”时的工作频率计算
2.1 经验公式计算
谐振系统的振荡频率由谐振系统的尺寸决定。通常可以通过谐振系统的等效电感和等效电容来计算π模式的波长。对于有隔模带的同腔系统，π模式的谐振波长近似等于谐振系统中单个谐振腔的谐振波长。因此可以用单个谐振腔的谐振波长来代替谐振系统π模式的协作波长。如果以谐振腔的隙缝口作为参考面，在π模谐振频率附近，单个谐振腔可以用集中电感和电容的并联等效电路来表示。等效电感Lr（cm）和等效电容CΣ（cm）与π模式谐振波长间有如下关系[3]：
而隔模带对于π模式来说起并联电容的作用。设隔模带的电容为Cs，则
式中Cr为单个谐振腔的电容（包括阳极片表面的边缘电容）。
由于谐振腔具有复杂的边界形状，Lr和CΣ的严格求解有很大困难。同时没有考虑阴极、极靴等部件的存在，公式（1）的计算结果就有一定误差。这就迫使人们在发展理论的同时，寻求更为准确的解决问题的途径——模拟计算。
2.2 模拟计算
本文利用ANSYS的高频电磁分析对某微波炉公司所使用的磁控管的结构尺寸进行建模计算，这是工作在2450MHz、具有10个叶片的扇形谐振腔、采用双端双环矩形截面隔模带的磁控管。其阳极片、隔模带和阴极的模型如图1 所示。
图1 磁控管谐振系统三维模型
用ANSYS计算谐振腔频率时只需要对真空部分建模，因此需要再建立一个与磁控管外壳大小相同实体圆柱，利用布尔操作挖去阳极片、隔模带、阴极等，再进行模式求解。计算出谐振频率为2.4463GHz。实验值为2.4580GHz，相对误差为0.5%。在该工作频率下的电场分布如图2所示。
图2 电场分布图
3 热形变对磁控管谐振腔工作频率的影响
磁控管工作时阳极温度很高，产生高温的热源主要有三个：电子对阳极叶片的轰击、灼热阴极表面的辐射、沿阳极表面流动的高频电流所产生的涡流，其中主要因素是电子对阳极叶片的轰击。为了保护磁控管不会因为过度温升而损坏，延长磁控管的寿命，常在磁控管的外壁加装肋片并使用了强制散热风扇或水冷来增强磁控管的散热性能。
3.1 热分析
首先对磁控管进行流固耦合分析。需要对整个磁控管建模，包括阳极外面的散热片、磁铁和支架等。由于模型的对称性，只需要建立1/2模型，这样可以大大减少运算量。模型中空气和金属部分采用流体分析单元FLUID142，真空部分选择高频分析单元HF119。计算时将HF119转化为不求解单元。
本文中的磁控管采用风冷散热，计算时在入口处加固定风速，在出口处设置压强为0，对称面上加对称边界条件，考虑散热片和阳极外壳间的接触热阻，并根据磁控管的功率和效率换算出热流边界条件加在阳极片内表面，在阴极表面加固定温度，同时将阴极外表面和阳极片内表面定义为一个辐射组。求解得到磁控管温度分布，如图3所示。
图3 磁控管温度分布图
3.2 热形变分析
首先利用前面的分析的结果进行热分析。将流体分析单元FLUID142转化为热分析单元SOLID70，将流体分析结果导入热分析，得到热分析结果。再将热分析单元SOLID70转化为结构单元SOLID45进行热形变分析，并将热分析结果作为边界条件导入。作热形变分析时将空气和真空部分的单元设置为不求解单元。
3.3 热形变分析对磁控管谐振腔工作频率的影响
利用热形变分析结果更新模型后，将SOLID45单元设置为不求解单元，再一次对真空部分进行模式分析。与磁控管“冷”状态的频率比较，得到频移为0.0057GHz，减少0.23%。算得频温系数为0.045MHz/℃。
再考虑阴极膨胀对振荡频率的影响，阴极膨胀的尺寸在0.05mm的数量级，使频率下降0.04%，则频温系数为0.052MHz/℃，与经验值相符。可见热形变对频率有一定影响，但影响不是很大，尤其是阴极膨胀带来的影响，可以忽略不计。
4 结论
利用ANSYS软件对磁控管的谐振系统进行了模拟计算，分析了热形变对谐振频率的影响，计算了磁控管的频率热漂移，计算结果与实验结果一致。
模拟分析结果为了解磁控管的设计以及优化提供有效的参考依据，从而获得更合理的腔体的形状和尺寸。计算机模拟为磁控管设计提供了快捷、高效、可靠的方法。 (end)
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(2/24/2007) |
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