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1、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： 高功率； 铁氧体；移相段；结构设计The Structural heat Design of A High P
2、ower Ferrite CirculatorXU Yue-ning(The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)Abstract: A certain high power ferrite differential phase shift circulator works with severe heat- consuming. Suitable structure must be devised for the cooling requirement. Based on heat source, heat load and
3、practical permission, appropriate cooling measure is adopted. And then heat abstraction confirmation is done using sizes of duct cross section and fluid parameters. Splitting shape in E sides provides great convenience for fixing and jointing of ferrites, which ensures the success of relative design
4、ation. The apparatus has been tested with low power, high power and extreme circumstance work mode. It has been worked excellently until now.Key words: high power，ferrite，phase-shifter, structural design1 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
5、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P为输入功率，
6、1P为输出功率。则有：o-10lg(P /P)= 0.3oi求得：P/P=0.93325oi则损耗功率为：P-P =(1-0.93325)Pi o i=0.06675X 12 KW= 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。铁氧体 波导1/ 畀L11 1 111r z111M /I图 1 采用八
7、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 热设计率按900W；铁氧体表面温度要求T W70C;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 C降 低至 50C。冷却水的流
8、量可由下列方程式来确定：PQ = ( m3/s)f p C A tp式中：P为铁氧体片总损耗功率(W)； C为p冷却水的比热(J/Kg.C)； p为冷却水的密度 (Kg/m3)； At为冷却水进出口温差(C)。根据冷却设备提供的条件，At = 58-50 = 8C。冷却水平均温度T= 58 + 50 = 54 C。平均 2查 54C 乙二醇水溶液( 重量比 56%) 的C =3206.5J/KgC, p =1072 Kg/m3。铁氧体损 p耗总功率：P=900W。将上述条件代入式(3)得：Q =6.66X10-5 (m3/s)(4)f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
9、量为：Q = r =1.66X10-5 (m3/s)(5)a4根据这个结果，在冷却水进水50 C，出水 58 C的条件下，只要冷却水总流量达到6.66 X 10-5 m?/s，或四个分水道中冷却水流量分别达到 1.66X10-5 m3/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 冷却水道设计根据系统设计要求：铁氧体最大损耗功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
10、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=37X8=296(mm2)=2.96X 10-4血)(6)水道内的冷却水的平均流速：W = Qa =5.6 X 10-2m/s(7)A冷却水的雷诺数：8)式中： w 为冷却水平均流速 (m/s)
11、,D 为 当量直径(m),液体的运动粘度：v =1.48X 10-6m2/s4A当量直径：D = 4A =0.013m(9)U式中： A 为流道的截面积 (m 2)， U 为流道 湿周(m)。则:R =匹=508(10)ev由计算可知流动的冷却水为层流。取准则方程为(4)：Nuf= 0.46 R 0.5 P 0.43 ef r解得：N = 21 uf(11)(12)对流换热系数(4)：九Nf uf =595kcal/(m2 h C)Deq=693(m2 C)(13)移相段上，每条铁氧体片对应水道需要导出的热量为：P = 90 =112.5(w)(14)a8每个水道的换热面积S=0.017m2(
12、15)则对流换热温差：PA t = =9.55 (C)(16)e a S铜板壁的导热温差(4)：P A t = a =0.3(C)(17)d九Sw根据以往测试结果铁氧体和铜质波导壁的接触温差：At W3C(18)c则铁氧体表面温度：T = T + At + At + At W66.85C (19)平均edc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66.85C,小 于70C。从而验证了冷却水道横截面尺寸 37mmX 8mm 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
13、优良，性能稳定。经测试，热平衡时，铁氧体的表面温度小于60C，从而验证了冷却水道 材上完全能够满足固定强度和导热的需要。但的设计结果是可行的。是，要将数十片铁氧体片按照设计要求焊接在7 铁氧体片固定方式设计双联波导内却是一件很难的事，其原因：_.曰一是图 2 铁氧体片固定及导热方式示意图计效果0图 3 移相段 E 面分割分体设计示意图采用锡焊工艺，将铁氧体片固定在铜质板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。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
14、，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0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,如出现应完全除去，以免打火08 分体结构设计矩形波导管内空间狭小，铁氧体片焊接操作非 常
15、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0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0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0图3不仅显示了这种分体结构设计， 而且，还显示了冷却水道、铁氧体片焊接等设实践表明，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0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0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，
