磁控管熱分析

磁控管熱分析作者：電子科技大學姚列明楊中海摘要：磁控管是一種效率最高的大功率微波源，其特點是輸出的功率大，效率高，體積小，重量輕，成本低，因而它不僅在軍事領域得到了廣泛的應用，在民用領域也得到了很好的應用。隨著雷達、航天航空、電子對抗、微波加熱等技術的發(fā)展，需要磁控管有更好工作穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和更長的工作壽命。磁控管在工作中產(chǎn)生的高溫會導致頻率漂移、陽極過熱而損壞等問題，因此對磁控管的熱分析有助于提高磁控管的可靠性，為磁控管的優(yōu)化設計提供很好的參考依據(jù)。本文分別利用ANSYS的高頻電磁場模塊、熱分析模塊、結構分析模塊和流體分析模塊計算了磁控管的頻率熱漂移，并對陽極表面的散熱進行了分析，計算結果與實驗結果一致。關鍵詞：磁控管熱分析頻率熱漂移可靠性1前言隨著雷達、航天航空、電子對抗、微波加熱等技術的發(fā)展，磁控管的應用越來越廣泛。從輸出功率、效率和可靠性的觀點考慮，在今后的相當長的一段時期內(nèi)，磁控管仍將在大功率和高頻率應用中繼續(xù)充當主要角色［1］。磁控管工作時，磁控管振蕩頻率受環(huán)境溫度、冷卻條件的改變及調(diào)諧機構及調(diào)制器的過熱狀態(tài)等的影響而發(fā)生的變化。定量分析磁控管的傳熱特性，預測高溫對工作頻率的影響，對調(diào)整結構，優(yōu)化設計，提高磁控管的穩(wěn)定性和可靠性有很大幫助。目前的主要分析手段為計算機模擬。通過計算機模擬，不斷改進理論預測，使得磁控管的理論更加完善，并用模擬結果直接指導設計過程，使之在磁控管設計階段就能進行精確計算及性能預測，提供實現(xiàn)更優(yōu)化或最優(yōu)化設計方案的手段［2］。本文利用ANSYS軟件分析計算了磁控管的溫度分布，定性地比較了常溫和高溫下其諧振腔振蕩頻率的變化，為了解磁控管的腔體變形情況提供了有效的參考依據(jù)，從而獲得更合理的腔體的形狀和尺寸。計算機模擬為磁控管設計提供了快捷、高效、可靠的方法。2磁控管諧振腔在“冷狀態(tài)”時的工作頻率計算2.1經(jīng)驗公式計算諧振系統(tǒng)的振蕩頻率由諧振系統(tǒng)的尺寸決定。通常可以通過諧振系統(tǒng)的等效電感和等效電容來計算n模式的波長。對于有隔模帶的同腔系統(tǒng)，n模式的諧振波長近似等于諧振系統(tǒng)中單個諧振腔的諧振波長。因此可以用單個諧振腔的諧振波長來代替諧振系統(tǒng)n模式的協(xié)作波長。如果以諧振腔的隙縫口作為參考面，在n模諧振頻率附近，單個諧振腔可以用集中電感和電容的并聯(lián)等效電路來表示。等效電感Lr（cm）和等效電容CZ（cm）與n模式諧振波長間有如下關系［3］：點?—qf-(1)而隔模帶對于n模式來說起并聯(lián)電容的作用。設隔模帶的電容為Cs，則式中Cr為單個諧振腔的電容（包括陽極片表面的邊緣電容）。由于諧振腔具有復雜的邊界形狀，Lr和CZ的嚴格求解有很大困難。同時沒有考慮陰極、極靴等部件的存在，公式（1）的計算結果就有一定誤差。這就迫使人們在發(fā)展理論的同時，尋求更為準確的解決問題的途徑一模擬計算。2.2模擬計算本文利用ANSYS的高頻電磁分析對某微波爐公司所使用的磁控管的結構尺寸進行建模計算，這是工作在2450MHz、具有10個葉片的扇形諧振腔、采用雙端雙環(huán)矩形截面隔模帶的磁控管。其陽極片、隔模帶和陰極的模型如圖1所示。

圖1磁控管諧振系統(tǒng)三維模型用ANSYS計算諧振腔頻率時只需要對真空部分建模，因此需要再建立一個與磁控管外殼大小相同實體圓柱，利用布爾操作挖去陽極片、隔模帶、陰極等，再進行模式求解。計算出諧振頻率為2.4463GHz。實驗值為2.4580GHz，相對誤差為0.5%。在該工作頻率下的電場分布如圖2所示。>1Barlin-JKCA濟】MiantifP￡pi.24LE-LLI■事皿m圖2>1Barlin-JKCA濟】MiantifP￡pi.24LE-LLI■事皿m圖2電場分布圖3.1熱分析首先對磁控管進行流固耦合分析。需要對整個磁控管建模，包括陽極外面的散熱片、磁鐵和支架等。由于模型的對稱性，只需要建立1/2模型，這樣可以大大減少運算量。模型中空氣和金屬部分采用流體分析單元FLUID142，真空部分選擇高頻分析單元HF119。計算時將HF119轉化為不求解單元。本文中的磁控管采用風冷散熱，計算時在入口處加固定風速，在出口處設置壓強為0，對稱面上加對稱邊界條件，考慮散熱片和陽極外殼間的接觸熱阻，并根據(jù)磁控管的功率和效率換算出熱流邊界條件加在陽極片內(nèi)表面，在陰極表面加固定溫度，同時將陰極外表面和陽極片內(nèi)表面定義為一個輻射組。求解得到磁控管溫度分布，如圖3所示。圖3磁控管溫度分布圖3.2熱形變分析首先利用前面的分析的結果進行熱分析。將流體分析單元FLUID142轉化為熱分析單元SOLID70，將流體分析結果導入熱分析，得到熱分析結果。再將熱分析單元SOLID70轉化為結構單元SOLID45進行熱形變分析，并將熱分析結果作為邊界條件導入。作熱形變分析時將空氣和真空部分的單元設置為不求解單元。3.3熱形變分析對磁控管諧振腔工作頻率的影響利用熱形變分析結果更新模型后，將SOLID45單元設置為不求解單元，再一次對真空部分進行模式分析。與磁控管“冷”狀態(tài)的頻率比較，得到頻移為0.0057GHz，減少0.23%。算得頻溫系數(shù)為0.045MHz/°C。再考慮陰極膨脹對振蕩頻率的影響，陰極膨脹的尺寸在0.05mm的數(shù)量級，使頻率下降0.04%，則頻溫系數(shù)為0.052MHZ/C，與經(jīng)驗值相符?？梢姛嵝巫儗︻l率有一定影響，但影響不是很大，尤其是陰極膨脹帶來的影響，可以忽略不計。4結論利用ANSYS軟件對磁控管的諧振系統(tǒng)進行了模擬計算