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(tǒng)不用介質材料絕緣支撐，因而，其散熱能力很好，可以獲得比螺旋線行波管高出一個數(shù)量級以上的平均功率;耦合腔行波管不像螺旋線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、大平均功率的特點使其在很多場合都是優(yōu)選管型。

　　小型化一直是軍用電子裝備發(fā)展的一個重要方向，這就需要作為雷達核心器件的行波管尺寸越來越小、重量越來越輕。傳統(tǒng)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，行波管的輸入端先連接一個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(tǒng)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程及結果。

1、問題提出

　　在研制之初，為提高設計可靠性，直接參考螺旋線同軸窗結構，這種結構已在螺旋線型行波管中廣泛使用，是經(jīng)過嚴格環(huán)境試驗和用戶長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。這種結構的特點是：同軸窗的內導體采用針封方式，外導體采用外套封方式;窗針選用柔韌性較好的純鎳材料，可通過材料的屈服效應減輕使用時外力對針封面的損傷。于是設計了與波導焊接的同軸窗，原始結構如圖2所示。在課題研制過程中，這種針封同軸窗組件本身的封接成品率很高，但在使用到整管上時頻繁出現(xiàn)漏氣現(xiàn)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題直接影響了項目進度。

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，在螺旋線行波管中同軸窗的封接外筒與薄壁長筒形的三通相連，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行波管相比，其高頻部件的工藝特點是釬焊次數(shù)多，而且同軸窗需在高頻調試的第一步就釬焊到波導上，這就意味著同軸窗將跟隨高頻部件多次反復進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行波管復雜很多，在冷測調試過程中需對同軸窗進行多次拆卸，也就是說同軸窗需反復經(jīng)受外力考驗。

圖1　螺旋線同軸窗結構

圖2　與波導焊接的同軸窗原始結構示意

　　根據(jù)上述分析，并結合熱力學仿真，對同軸窗的結構進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的結構如圖3所示。這種結構的特點是：窗針選用與瓷片熱膨脹系數(shù)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凸臺，大幅度加大了窗針與窗片的封接面積;縮短窗針的長度，通過外部插件的協(xié)同設計來實現(xiàn)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行了計算機仿真計算，然后以此為參考進行了結構優(yōu)化。在計算時，將焊料熔化溫度時的零件狀態(tài)設為初始狀態(tài)并將焊接面固定，考查組件降至常溫時窗片上的熱應力大小。圖4(a)是螺旋線同軸窗結構，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，旋轉外部接插件等于不斷對窗針施以外力，需要通過結構優(yōu)化來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，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、實驗驗證

　　經(jīng)結構優(yōu)化后，釬焊封接了4個同軸窗，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漏氣現(xiàn)象。將上述4個同軸窗置于氫爐中加熱至800℃后復檢無漏氣現(xiàn)象，并將此高溫烘烤試驗重復5次后復檢仍無漏氣現(xiàn)象。這一系列的試驗充分證明優(yōu)化后的同軸窗完全能滿足使用要求。

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

　　本文通過熱力學分析完成了一種焊接于波導上的針封同軸窗結構的優(yōu)化，通過實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波段的多個行波管管型，均獲得了較好的使用效果。