一种高功率铁氧体移相器结构设计电子教案.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一种高功率铁氧体移相器结构设计-一种高功率铁氧体环行器结构设计许越宁（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥230088）摘要：某高功率铁氧体差相式环形器热耗高，在设计中要确定一个合适的结构形式满足散热要求。根据器件的发热点，参考散热量，再根据工程实际选择了适当的冷却方式。由断面参数，结合流体性质进行散热复核。移相段壳体E面分体式结构设计为其中铁氧体片的焊接安装等操作提供了极大的便利，确保了各种相关技术要求的顺利实现。该器件先后顺利通过了低功率测试、高功率试验和例行试验，在实际使用中表现优良。关键词：

2、高功率；铁氧体；移相段；结构设计TheStructuralheatDesignofAHighPowerFerriteCirculatorXUYue-ning(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088，China)Abstract:Acertainhighpowerferritedifferentialphaseshiftcirculatorworkswithsevereheat-consuming.Suitablestructuremustbedevisedforthecoolingrequirement.Basedonheatsource,heat

3、loadandpracticalpermission,appropriatecoolingmeasureisadopted.Andthenheatabstractionconfirmationisdoneusingsizesofductcrosssectionandfluidparameters.SplittingshapeinEsidesprovidesgreatconvenienceforfixingandjointingofferrites,whichensuresthesuccessofrelativedesignation.Theapparatushasbeentestedwithl

4、owpower,highpowerandextremecircumstanceworkmode.Ithasbeenworkedexcellentlyuntilnow.Keywords:highpower，ferrite，phase-shifter,structuraldesign-1引言某微波设备传输线上使用的一种四端口高功率铁氧体差相式环行器,它由3dB电桥、魔T和移相段组成三部分组成。工作中，这种铁氧体环行器需要承受高峰功率和高平均功率，其插入损耗绝大部分来自移相段铁氧体片产生的微波损耗；而这些损耗全部转化为热量，如果这种热量不能很好地传出，铁氧体片的温度就会升高，超过一定值，其性能就会逐

5、渐变差，最终导致器件隔离度等重要性能恶化，功能丧失。因此，有效地解决移相段的散热问题对提高器件寿命至关重要。2热分析在该器件移相段的设计中,首先要进行热分析,根据热分析的结果再进行热设计。在这里热设计主要包括下面两点：一是确定冷却方式；二是根据冷却方式设计最佳结构。而一个合理的结构能增加器件散热效率，提高器件承受高功率的能力，同时还能降低器件的加工成本。环行器平均功率为12KW，高功率情况下要求插入损耗不大于0.3dB，若Pi为输入功率，Po为输出功率。则有：-10lg(Po/Pi)=0.3(1)求得：Po/Pi=0.93325则损耗功率为：Pi-Po=（1-0.93325）Pi=0.0667

6、512KW=0.801KW=801J/s(2)假定损耗仅由铁氧体片产生，并且全部转化为热量，则单位时间产生的总热量为801J：为提高热设计的可靠性，损耗功率可按900W计。3基本结构设计根据环行器的工作频率和构造原理，设计时为移相段选定了适用的双联波导。为了有效散热和减短移相段长度，采用了八条铁氧体片方案，其移相段横切面示意图如图1所示。图1采用八条铁氧体移相段横切面铁氧体片在工作中因微波损耗产生的热量，通过波导壁向外传导。为了将铁氧体片内部产生的热量及时有效地传出，我们采取了水冷却方案。即：在每条铁氧体片所在的波导壁上设置水道，上下对应的水道设法相连成一个分水道，形成四个分水道头尾分别汇聚到

7、冷却水进出总管。通过循环的冷却水带走热量，使铁氧体片在既定温度范围内达到热平衡。因为铁氧体片是热的不良导体，为了便于其内部的导热，我们采用了薄型铁氧体片。4热设计根据系统设计要求：铁氧体最大损耗功率按900W；铁氧体表面温度要求T70;冷却水为乙二醇水溶液（重度比56%）；随设备配置的外部冷却设备能将循环冷却出水从58降低至50。冷却水的流量可由下列方程式来确定：（m3/s）(3)式中：P为铁氧体片总损耗功率(W)；为冷却水的比热(J/Kg)；为冷却水的密度(Kg/m3)；Dt为冷却水进出口温差()。根据冷却设备提供的条件，Dt58-508。冷却水平均温度。查54乙二醇水溶液（重量比56%）的

8、=3206.5J/Kg，=1072Kg/m3。铁氧体损耗总功率：P=900W。将上述条件代入式(3)得：=6.6610-5（m3/s）(4)移相段上，上下波导壁各有四个冷却水通道，则每个通道的平均流量为：=1.6610-5（m3/s）(5)根据这个结果，在冷却水进水50，出水58的条件下，只要冷却水总流量达到6.6610-5m3/s,或四个分水道中冷却水流量分别达到1.6610-5m3/s就能带走铁氧体片产生的全部热量，维持器件正常工作。6冷却水道设计依据计算得到的冷却水流量，就可以对波导壁宽边上的冷却水道进行设计。设计的目的是确定水道矩形横截面宽和高的尺寸。为了方便，在工程上我们常采用尝试法

9、进行水道的设计。首先，我们可根据移相段铁氧体片所在波导宽边能够均分给每个水道的最大尺寸来确定水道的宽度；再根据经验预设一个高度，得到相应的水道截面积；然后通过理论计算求得冷却后铁氧体片的表面温度。若计算得到的铁氧体片表面温度明显低于规定的温度上限，说明预设的水道高度和数量满足要求；否则，就要增加水道数量(即散热片数量)或者高度，直到符合要求为止。经过对该器件的材料选择、加工后变形量、焊接的难易等综合因素考虑，确定环行器移相段水道宽度为37mm,水道预设高度为8mm。依此，得到的水道截面积：A=378=296(mm2)=2.9610-4(m2)（6）水道内的冷却水的平均流速：=5.610-2m/

10、s（7）冷却水的雷诺数：（8）式中：w为冷却水平均流速(m/s),D为当量直径(m),液体的运动粘度:=1.4810-6m2/s当量直径：=0.013m（9）式中：A为流道的截面积()，为流道湿周(m)。则：=508(10)由计算可知流动的冷却水为层流。取准则方程为（4）:(11)解得：(12)对流换热系数（4）：=595kcal/(m2h)=693(m2)(13)移相段上，每条铁氧体片对应水道需要导出的热量为：=112.5(w)(14)每个水道的换热面积S=0.017m2(15)则对流换热温差：=9.55()(16)铜板壁的导热温差（4）：=0.3()(17)根据以往测试结果铁氧体和铜质波导

11、壁的接触温差：3(18)则铁氧体表面温度：66.85(19)计算结果表明：理论计算得到的铁氧体片在工作时，经过冷却后表面温度为66.85，小于70。从而验证了冷却水道横截面尺寸37mm8mm能满足设计要求。工程上，我们采用了上述计算得到的冷却水道尺寸，并将冷却水的流量上调到大于理论计算值2L/min的水平。环行器在实际应用中表现优良，性能稳定。经测试，热平衡时，铁氧体的表面温度小于60，从而验证了冷却水道的设计结果是可行的。7铁氧体片固定方式设计按照铁氧体差相式环行器基本构造原理，如图1所示，八条铁氧体片必须通过某种媒介分别固定在移相段内部既定的位置上。由于微波损耗，铁氧体片在工作时将产生热量

12、。这部分热量必须先后通过这个媒介和波导壁传给冷却水道中流动的冷却水，以免温度过高使铁氧体片性能恶化。显然，该媒介的作用有两个，一是起固定作用，二是起导热作用。为了达到上述目的，我们在设计中采用了锡焊的固定方式。首先是对固定铁氧体片的一个面进行金属化处理，然后使用锡焊工艺将铁氧体片金属化的一个面焊接在铜质的波导内壁上。由于焊锡是热的良导体，它把铁氧体片固定在波导壁上的同时，还能有效地将铁氧体片产生的热量传给波导壁，最终传给冷却水。铁氧体片在波导壁上的固定及导热方式如图2所示。图2铁氧体片固定及导热方式示意图铁氧体片在锡焊过程中，要特别注意：锡层要尽量薄；铁氧体片边缘禁止出现焊锡残余,如出现应完全

13、除去，以免打火。8分体结构设计采用锡焊工艺，将铁氧体片固定在铜质板材上完全能够满足固定强度和导热的需要。但是，要将数十片铁氧体片按照设计要求焊接在双联波导内却是一件很难的事，其原因：一是矩形波导管内空间狭小，铁氧体片焊接操作非常不方便，很难达到工艺要求；二是在焊接过程中，渗出的小锡珠以及粘连在铁氧体片侧面的焊锡残余不易发现或清除，容易引起打火；三是焊接冷却水道时波导腔容易变形，且很难校平，影响焊接质量。为了解决上述难题，我们采用了移相段壳体双联波导E面分体式结构设计。将双联波导从E面中间分开，形成两个独立的结构件，使原本必须在内部操作的工序全部在敞开的状态下进行。图3不仅显示了这种分体结构设计

14、，而且，还显示了冷却水道、铁氧体片焊接等设计效果。图3移相段E面分割分体设计示意图实践表明，这种移相段壳体E面分体式结构设计，使原来在波导内部的所有操作都变得非常方便，操作质量得到极大提高和保证。比如：由于在敞开的状态下机加工，不仅使H面能达到很高平面度和光洁度，而且对提高焊接质量特别有利，比较容易地实现所有既定的焊接工艺目标。与此同时，为了防止打火和提高耐峰功率对双联波导中间隔板和密封进行了周密的设计。9结束语结合对移相段的热分析，选取有效的散热措施，并进行有效的分体式结构设计，不仅提高了加工性能，还大大地提高了隔离器的耐功率容量，基本消除了铁氧体打火、脱落、过热现象。另外将特殊材料作为密封

15、件使用效果很好，充入一定压力的气体检验，波导壳体压接面不漏气。目前，该器件已大量成功应用在某微波设备上。参考文献：梁德旺.流体力学基础M.北京:航空工业出版社,1998年杨世铭陶文铨.传热学M.北京：高等教育出版社，1980年邱成悌赵惇殳蒋全兴.电子设备结构设计原理M南京：东南大学出版社，2001年电子设备冷却设计手册编辑组.电子设备冷却设计手册M南京:电子工业部第十四研究所,1983年成大先主编.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2002年作者简介：许越宁（1961-），男，工程师，主要从事雷达天馈结构设计工作。修改说明：1英文中两个作者已经去掉一个。2第一页第2节内容已经修改。3第3页公式（12）中下一行Nuf=4.16为编辑错误，已删除。4红色字为更正后内容。5谢谢审核者的指正。