收集極是行波管的主要發(fā)熱部件，本文利用ANSYS 對(duì)某行波管的四級(jí)降壓收集極進(jìn)行了熱分析，其中利用了ANSYS中的接觸單元CONTA172 和TARGE169 來(lái)模擬收集極各零件間的接觸熱阻。該方法相對(duì)以前人們采用接觸區(qū)過(guò)渡薄層的方法更加簡(jiǎn)便，特別是解決了接觸區(qū)過(guò)渡薄層劃分網(wǎng)格困難、計(jì)算量巨大的難題。通過(guò)分析，本文給出了收集極的最高溫度隨接觸面積比和配合間隙變化的規(guī)律。

　　空間行波管是通信、導(dǎo)航、數(shù)傳等衛(wèi)星系統(tǒng)中不可或缺的核心器件，具有微波功率放大的作用。由于衛(wèi)星上使用的行波管具有不可更換的特點(diǎn)，因此要求器件具有很高的工作可靠性。通信和導(dǎo)航衛(wèi)星的服役時(shí)間長(zhǎng)( 10- 15 年) ，因此要求器件具有15 年以上的長(zhǎng)壽命。

　　收集極是行波管的主要發(fā)熱部件，產(chǎn)生的熱量接近整個(gè)行波管產(chǎn)生熱量的2/ 3。收集極散熱性能的優(yōu)劣直接影響空間行波管的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此需要對(duì)空間行波管收集極的散熱性能進(jìn)行充分熱設(shè)計(jì)。

　　收集極電極與收集極瓷、收集極瓷與外筒接觸界面處的接觸熱阻對(duì)熱量的傳導(dǎo)具有阻礙作用，因此對(duì)收集極的熱分析必須考慮接觸熱阻的影響。文獻(xiàn)在分析行波管收集極的散熱性能時(shí)考慮了接觸熱阻的影響。文獻(xiàn)中考慮了收集極各零件間接觸熱阻的影響，結(jié)果表明由接觸熱阻造成的溫升約占收集極內(nèi)外溫差的1/ 3; 文獻(xiàn)利用ANSYS,在收集極零件接觸界面處加入過(guò)渡薄層來(lái)模擬接觸熱阻的影響，結(jié)果表明收集極最高溫度比不考慮接觸熱阻時(shí)升高了13.3 ℃ 。韓勇等在模擬慢波結(jié)構(gòu)的接觸熱阻時(shí)也采用的是在過(guò)渡區(qū)加入仿真薄層的方法。采用過(guò)渡薄層的方法模擬接觸熱阻，存在著劃分網(wǎng)格困難和計(jì)算量巨大的問(wèn)題。中科院電子所的胡太康在分析非理想接觸條件下陰極熱子組件時(shí)，提到了接觸傳熱系數(shù)的概念，但是由于影響因素較多，只給出了一定的取值范圍。本文使用ANSYS 中的接觸單元來(lái)模擬行波管收集極接觸熱阻，解決了以上難題，并且使用這種方法對(duì)某行波管收集極進(jìn)行了熱分析，研究了接觸面積比及配合間隙對(duì)收集極最高溫度的影響規(guī)律。

1、收集極在良好接觸情況下的熱分析

　　某行波管四級(jí)降壓收集極的剖面結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由電極、收集極瓷和收集極外筒三大部分組成。

1.1、在ANSYS 中建立幾何模型

　　圖1 所示收集極是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在ANSYS中只需建立收集極的二維幾何模型，如圖2 所示為收集極剖切面的一半，單元類型為PLANE77( 8 節(jié)點(diǎn)二維平面單元) 并設(shè)置為軸對(duì)稱類型。其中，模型單位為mm。

圖1 某行波管四級(jí)降壓收集極的剖面結(jié)構(gòu)

1.2、收集極的有限元模型

　　將圖2 所示的收集極各部分分別指定材料熱參數(shù)，如表1 所示。電極和收集極外筒的材料為無(wú)氧銅，收集極瓷為95% Al2O3 瓷，收集極端蓋為可伐4J29。對(duì)上述幾何模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，可以得到收集極的二維有限元模型，如圖3 所示。

圖2 收集極的二維平面幾何模型圖　　圖3 收集極的二維有限元模型

　　結(jié)論

　　本文對(duì)某四級(jí)降壓收集極進(jìn)行了熱分析，并把由焊接方式裝配的收集極各接觸界面的接觸熱阻考慮在內(nèi)。總體來(lái)看，收集極在采用焊接裝配時(shí)，接觸熱阻對(duì)其影響不大。在熱分析過(guò)程中，利用ANSYS中的接觸單元來(lái)模擬接觸熱阻的存在，將接觸熱導(dǎo)率系數(shù)引入其中，通過(guò)給定的接觸界面的條件利用接觸單元可以方便的對(duì)收集極進(jìn)行熱分析，這種方法解決了以前采用仿真薄層模擬接觸熱阻時(shí)劃分網(wǎng)格困難、計(jì)算量大的問(wèn)題。通過(guò)模擬還得出了收集極的最高溫度與接觸面積比、配合間隙的關(guān)系曲線,并通過(guò)測(cè)量焊接處的釬著率從而可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)收集極內(nèi)部的最高溫度。