行波管主要部件的多点温度测量与热分析技术

摘要

行波管是高功率宽频带的微波源和微波信号放大器，被广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信等诸多领域，具有不可替代的重要地位。随着行波管性能要求的提高，对行波管散热的优化设计提出了重大挑战，其热状态分析越来越引起人们的关注，成为行波管稳定性、可靠性和长寿命设计的关键因素之一。慢波结构和收集极是行波管运行时发热最严重的两个主要部件，论文中主要进行了慢波结构和收集极的有限元热状态分析，管体多点温度测量分析技术，以及基于有限元模型和管体多点温度的内部温度场反演方法的研究。
　　使用有限元分析软件ANSYS进行慢波结构和收集极的热状态分析。首先分别建立了慢波结构和收集极的有限元模型，然后针对其不同发热特点和热力学环境，设置热分析条件，最后通过有限元热分析计算，得到了它们的温度场云图和热流矢量图，并分析了影响它们温度场分布的主要因素。
　　研制了行波管主要部件管体多点温度测量系统，采用多路热电偶传感器，可同时测量16个位置点的温度值，并通过USB接口将温度数据传输到上位机中进行分析和存储。该系统使得行波管研究人员可以直观地观察行波管运行时管体的温度变化，为行波管散热设计提供了重要的数据支持，弥补了这方面专用检测设备的空白。
　　使用行波管主要部件管体多点温度测量系统，对两种不同型号行波管的慢波结构和收集极的管体温度分布进行测量，测量了它们在不同频率输入信号下的温度场变化情况。根据测得的温度数据，基于二维插值算法绘制了慢波结构和收集极的管体温度云图，直观地反映了管体温度场的变化。实验结果表明，慢波结构和收集极的温度分布会受到输入信号频率的影响，为行波管工作状态监控与分析提供重要的参考依据。
　　提出了一种基于有限元模型和管体多点温度的慢波结构和收集极内部温度场反演方法，通过建立慢波结构和收集极有限元热模型，以管体表面多点温度为输入参数，利用序列二次规划(SQP)算法求解模型热源分布情况，再使用有限元仿真计算获得慢波结构和收集极内部温度场反演结果。该方法以管体表面多点温度反演内部温度场，无需在行波管内部放置温度传感器，便可获得较为完整的内部温度场估算值。数值实验结果初步证明该方法具有较好的可行性，是一种有效的慢波结构和收集极内部温度场反演方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 行波管的发展概况及现状

1．2 行波管的工作机理和结构简介

1．3 行波管热分析的国内外研究现状

1．4 论文主要研究内容和组织结构

第二章 行波管慢波结构和收集极的有限元热分析

2．1 传热学基本理论

2．2 有限元热分析基本原理

2．2．1 有限元法的简介

2．2．2 有限元热分析基本原理

2．3 有限元应用软件ANsYS介绍

2．3．1 ANSYS软件简介

2．3．2 ANSYS分析过程

2．4 螺旋线慢波结构的有限元热分析

2．4．1 螺旋线慢波结构的产热机理

2．4．2 慢波结构有限元模型的建立

2．4．3 慢波结构的稳态热分析

2．5 收集极的有限元热分析

2．5．1 收集极的产热机理

2．5．2 收集极有限元模型的建立

2．5．3 收集极的稳态热分析

2．6 本章小结

第三章 行波管主要部件管体多点温度测量系统的研制

3．1 整体方案设计

3．2 硬件设计

3．2．1 热电偶传感器的选择

3．2．2 热电偶温度采集模块的硬件设计

3．3 软件设计

3．3．1 软件总体设计

3．3．2 温度数据采集模块设计

3．3．3 数据库模块设计

3．4 慢波结构和收集极管体温度测量与结果分析

3．4．1 管体温度测量实验方法

3．4．2 基于二维插值算法的管体温度云图绘制

3．4．3 慢波结构管体温度分布结果及分析

3．4．4 收集极管体温度分布结果及分析

3．5 本章小结

第四章 行波管慢波结构和收集极内部温度场反演的研究

4．1 慢波结构和收集极内部温度场的传热反问题

4．2 慢波结构和收集极内部温度场反演方法

4．2．1 传热学反问题研究方法

4．2．2 基于有限元模型和管体多点温度的慢波结构和收集极内部温度场反演方法

4．3 数值仿真验证及讨论

4．3．1 慢波结构内部温度场反演结果

4．3．2 收集极内部温度场反演结果

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文