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小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计

李建兵 郭盼盼 王永康 王妍

李建兵, 郭盼盼, 王永康, 等. 小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 113004. doi: 10.11884/HPLPB201931.190145
引用本文: 李建兵, 郭盼盼, 王永康, 等. 小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 113004. doi: 10.11884/HPLPB201931.190145
Li Jianbing, Guo Panpan, Wang Yongkang, et al. Thermal simulation analysis and optimization design of miniaturized traveling wave tube amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 113004. doi: 10.11884/HPLPB201931.190145
Citation: Li Jianbing, Guo Panpan, Wang Yongkang, et al. Thermal simulation analysis and optimization design of miniaturized traveling wave tube amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 113004. doi: 10.11884/HPLPB201931.190145

小型化行波管放大器热仿真分析及优化设计

doi: 10.11884/HPLPB201931.190145
基金项目: 

国家十三五核高基重大专项资助项目 2017ZX01004-101-009A

详细信息
    作者简介:

    李建兵(1976—),男,博士,副教授,研究方向为微波功率模块;49286894@qq.com

    通讯作者:

    郭盼盼(1988—),男,硕士研究生,研究方向为微波功率模块;715385091@qq.com

  • 中图分类号: TN124

Thermal simulation analysis and optimization design of miniaturized traveling wave tube amplifier

  • 摘要: 介绍了小型化行波管放大器的热仿真分析和优化设计方法。首先对行波管放大器的热损耗进行了分析,然后依据热力学相关理论,基于Ansys Icepak软件,对行波管放大器进行了建模和仿真分析。针对小型化行波管放大器的特点,分别进行了水冷板的热优化设计和慢波结构的热优化设计,在此基础上进行了水冷板和慢波结构的综合优化设计。最后进行了实验验证,实验结果与仿真结果相符,行波管放大器无论是整体温度还是局部温度分布特性,均得到了明显改善。
  • 图  1  行波管放大器结构

    Figure  1.  Structure of TWT amplifier

    图  2  行波管放大器三维模型图

    Figure  2.  3-D model of TWT amplifier

    图  3  修复后的行波管放大器三维模型

    Figure  3.  3-D model of repaired TWT amplifier

    图  4  行波管放大器的网格划分

    Figure  4.  Grid partition of TWT amplifier

    图  5  三维温度云图

    Figure  5.  3-D temperature nephogram

    图  6  二维切面温度云图

    Figure  6.  2-D tangential temperature nephogram

    图  7  冷板内进口区域示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of inlet area in cold plate

    图  8  加水冷板优化后的三维温度云图

    Figure  8.  3-D temperature nephogram after optimizing water-cooled plate

    图  9  加水冷板优化后的二维温度云图

    Figure  9.  2-D temperature nephogram after optimizing water-cooled plate

    图  10  慢波结构加散热片三维模型

    Figure  10.  3-D model of TWT amplifier slow-wave structure with radiator

    图  11  慢波结构优化后的三维温度云图

    Figure  11.  3-D temperature nephogram after optimizing slow-wave structure

    图  12  慢波结构优化后的二维温度云图

    Figure  12.  2-D temperature nephogram after optimizing slow-wave structure

    图  13  加水冷板和慢波结构优化后三维温度云图

    Figure  13.  3-D temperature nephogram after optimizing water-cooled plate and slow-wave structure

    图  14  加水冷板和慢波结构优化后二维温度云图

    Figure  14.  2-D temperature nephogram after optimizing water-cooled plate and slow-wave structure

    图  15  无冷却工作5 min的行波管放大器温度分布

    Figure  15.  Temperature distribution of TWT amplifier working for 5 minutes without cooling

    图  16  工作30 min后的行波管放大器温度分布

    Figure  16.  Temperature distribution of TWT amplifier after working for 30 minutes

    表  1  行波管放大器各部件名称及材料

    Table  1.   Names and materials of components of TWT amplifier

    name material name material
    electron gun kovar isolator oxygen-free copper
    high frequency iron preamplifier copper
    collector oxygen-free copper amplifier input waveguide oxygen-free copper
    TWT output waveguide oxygen-free copper、kovar amplifier output waveguide oxygen-free copper
    TWT input waveguide oxygen-free copper、kovar bottom plate aluminium
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    表  2  行波管放大器供电参数

    Table  2.   Power supply parameters of TWT amplifier

    voltage/V current/mA power/W
    collector 4250 75 318.75
    filament 6 0.62 3.72
    slow-wave structure 16300 1 16.3
    amplifier 8 500 4
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    表  3  边界条件

    Table  3.   Boundary conditions

    boundary condition parameter setting
    ambient temperature 25 ℃
    gravity direction Y-axis negative direction
    solution type radiation, conduction, convection
    turbulence model zero equation
    radiation model Ray Tracing
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-05
  • 修回日期:  2019-09-05
  • 刊出日期:  2019-11-15

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