一种螺旋线行波管的慢波结构及该慢波结构的制备方法与流程

本发明涉及真空电子器件领域，特别涉及一种螺旋线行波管的慢波结构及该慢波结构的制备方法。

背景技术：

螺旋线型行波管因具有宽频带的特性而广泛应用于雷达系统、通信系统等多种领域，但这类行波管慢波结构的散热能力有限，制约其平均功率的提高。

传统螺旋线行波管的慢波结构通常由螺旋线、均匀分布的三根夹持杆以及管壳通过一定的夹持方法组合而成。目前大功率行波管慢波系统多采用纯铁材料的极靴与镍铜合金材料的垫环焊接而成的管壳，夹持方法是在冷态下将螺旋线与夹持杆固定好后加热管壳使其略微膨胀，利用模具将螺旋线和夹持杆组件快速插入管壳中。该方法中螺旋线与夹持杆为平面接触连接，微观上由于接触表面不可能完全镜面，因此必然存在空隙，空隙越大热阻越大，界面温升越大，散热能力越差；并且受零件表面粗糙的影响，采用此夹持法组成的慢波系统在螺旋线与夹持杆界面间会形成部分空隙，从而产生较大的接触热阻，影响慢波系统的散热效率。当平均功率进一步提升时，此方法制备的行波管容易出现螺旋线被烧毁和工作不稳定现象。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种螺旋线行波管的慢波结构；该慢波结构通过采用金属焊料，使得焊接后焊料会填充夹持杆与螺旋线接触面上的微小空隙，使其完全紧密接触，热阻很小，可视为消除了螺旋线与夹持杆之间热界面，螺旋线上所有热量均可传导至夹持杆上，大幅度的降低了螺旋线与夹持杆之间的接触热阻，大大提高了螺旋线行波管慢波结构的散热能力及散热效率，在保证了慢波结构具有良好的同轴度的同时，还确保了行波管具有较高的电子注通过率；并且本发明所提供的慢波结构还通过改变夹持杆与管壳的结构，为使得螺旋线、夹持杆和管壳在夹持过程中首先预装进而一步完成整体装配提供了先决条件。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种螺旋线行波管的慢波结构的制备方法；该制备方法通过对螺旋线结构、夹持杆结构及管壳结构的改进，在高温下利用“螺旋线-夹持杆”组件与金属管壳之间的过盈配合，在三者焊接界面上形成一定压力，从而在慢波结构夹持过程中实现金属管壳与陶瓷夹持杆的焊接，且在夹持的同时实现夹持杆与螺旋线的焊接，通过本制备方法得到的慢波结构在焊接过程中不易发生螺旋线与夹持杆上焊接面错位，焊接及夹持过程可一步完成，通过该方法获得的慢波结构可用于大功率螺旋线行波管中，且具有能够降低接触热阻，提高慢波结构散热效率等优点。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种螺旋线行波管的慢波结构，所述慢波结构包括从内向外依次连接固定的螺旋线、夹持杆和管壳；

在所述夹持杆内壁面上的与所述螺旋线相接触的有效区域面上设有活性金属化层；

所述螺旋线外壁面上的用于与所述夹持杆内壁面相对应连接固定的连接面为平面设置；

沿所述螺旋线的轴线方向，所述夹持杆的外壁面呈第一斜面设置；所述管壳的内壁面上设有与所述夹持杆的外壁面相对应的第二斜面，所述第一斜面与所述第二斜面匹配地连接固定在一起。

进一步的，所述活性金属化层包括从内向外依次设置的第一金属化层、第二金属化层和第三金属化层；所述第一金属化层的材质为钛，厚度为0.02-0.03μm；所述第二金属化层的材质为钼，厚度为0.04-0.05μm；所述第三金属化层的材质为铜，厚度为4-5μm。

由于夹持杆为陶瓷材料，传统夹持杆上的金属化层只有一层铜焊料，与陶瓷材料粘接不牢固。本专利采用了活性金属钛作为第一层，钛与陶瓷会产生化学反应，作为金属化层的基底会更和陶瓷粘接更牢固，钼作为第二层是因为钼的膨胀量较小，与陶瓷接近，可以在膨胀量较大的铜与膨胀量较小的陶瓷之间起到过渡作用，防止由于铜层膨胀引起的金属化层脱落。

进一步的，沿螺旋线的轴线前端至轴线后端方向，所述第一斜面的倾斜方向呈靠近螺旋线的轴线方向倾斜。

进一步的，所述慢波结构包括沿所述螺旋线周向方向呈均匀排布设置的三个结构相同的夹持杆。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种螺旋线行波管的慢波结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、将夹持杆的外壁面加工成斜面，得到第一斜面；

S2、按照过盈量，在与夹持杆的外壁面相对应的管壳的内壁面上加工出与所述第一斜面匹配对应的第二斜面；

S3、在所述夹持杆内壁面上溅射活性金属化层；

S4、将螺旋线外壁面上的用于与所述夹持杆内壁面相对应连接固定的连接面加工成平面；

S6、在冷态下，通过第一斜面与第二斜面的配合，沿所述螺旋线的轴线方向，将螺旋线、夹持杆和管壳预装在一起；具体为，用模具限定管壳一端的相对位置，螺旋线与夹持杆从管壳另一端插入。

S7、加热管壳，将螺旋线和夹持杆完全插入管壳，获得螺旋线行波管的慢波结构。本发明中由于夹持杆内壁面上的与所述螺旋线相接触的有效区域面位置与螺旋线外壁面呈相对应设置，进而在螺旋线和夹持杆完全插入管壳后，能够保证夹持杆上的有效区域面与螺旋线连接面之间的相对位置。

进一步的，该方法进一步的包括如下步骤：

S5、去除夹持杆内壁面上未与螺旋线相接触的非有效区域面上的活性金属化层。

进一步的，所述步骤S7具体为：

加热管壳，待其温度上升至900-950℃后，将螺旋线和夹持杆完全插入管壳，保温3-5分钟，冷却后即获得螺旋线行波管的慢波结构。

进一步的，所述步骤S3具体为：

将氧化铍夹持杆装入掩膜模具中，只露出夹持杆上与螺旋线相接触的内壁面，在该夹持杆内壁面上先溅射一层钛膜，再沉积一层钼膜，最后溅射一层铜层，进而在夹持杆内壁面上形成活性金属化层。

进一步的，所述过盈量为0.01mm。

本发明与现有技术相比，具有如下积极有益的效果：

1、本发明所提供的慢波结构通过采用金属焊料，使得焊接后焊料会填充夹持杆与螺旋线接触面上的微小空隙，使其完全紧密接触，热阻很小，可视为消除了螺旋线与夹持杆之间热界面，螺旋线上所有热量均可传导至夹持杆上，大幅度的降低了螺旋线与夹持杆之间的接触热阻，大大提高了螺旋线行波管慢波结构的散热能力及散热效率，在保证了慢波结构具有良好的同轴度的同时，还确保了行波管具有较高的电子注通过率。

2、由于夹持杆为陶瓷材料，传统夹持杆上的金属化层只有一层铜焊料，与陶瓷材料粘接不牢固。本专利采用了活性金属钛作为第一层，钛与陶瓷会产生化学反应，作为金属化层的基底会更和陶瓷粘接更牢固，钼作为第二层是因为钼的膨胀量较小，与陶瓷接近，可以在膨胀量较大的铜与膨胀量较小的陶瓷之间起到过渡作用，防止由于铜层膨胀引起的金属化层脱落。

3、本发明所提供的慢波结构的制备方法，通过对螺旋线结构、夹持杆结构及管壳结构的改进，在高温下利用“螺旋线-夹持杆”组件与金属管壳之间的过盈配合，在三者焊接界面上形成一定压力，从而在慢波结构夹持过程中实现金属管壳与陶瓷夹持杆的焊接，且在夹持的同时实现夹持杆与螺旋线的焊接，通过本制备方法得到的慢波结构可用于大功率螺旋线行波管中，具有能够降低接触热阻，提高慢波结构散热效率等优点。

4、本发明所提供的慢波结构的制备方法，采用在冷态下，通过第一斜面与第二斜面的配合，沿所述螺旋线的轴线方向，将螺旋线、夹持杆和管壳预装在一起，预装的优点在于焊接过程中不易发生螺旋线与夹持杆上焊接面错位，焊接及夹持过程可一步完成。

附图说明

图1为本发明中螺旋线的立体结构示意图。

图2为本发明中螺旋线的结构主视图。

图3为本发明中夹持杆的立体结构示意图之一。

图4为本发明中夹持杆的结构主视图。

图5为本发明中夹持杆的立体结构示意图之二。

图6为本发明中夹持杆的立体结构示意图之三。

图7为本发明中管壳的结构示意图。

图8为本发明中管壳内壁面的结构示意图。

图9为本发明中活性金属化层的层结构示意图。

图10为本发明中螺旋线、夹持杆和管壳预装在一起的示意图。

图11为本发明的整体结构示意图。

图12为本发明整体结构的轴向视图。

图13为本发明所提供的慢波结构与传统慢波结构的界面内外温差对比图。

图14为本发明所提供的慢波结构的制备方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至13所示，一种螺旋线行波管的慢波结构，所述慢波结构包括从内向外依次连接固定的螺旋线1、夹持杆2和管壳3；本实施例中所述慢波结构包括沿所述螺旋线1周向方向呈均匀排布设置的三个结构相同的夹持杆2。

在所述夹持杆2内壁面上的与所述螺旋线1相接触的有效区域面21上设有活性金属化层4；所述螺旋线1外壁面上的用于与所述夹持杆2内壁面相对应连接固定的连接面11为平面设置；沿螺旋线1的轴线12前端至轴线12后端方向，所述夹持杆2的外壁面呈第一斜面22设置，该第一斜面22的倾斜方向呈靠近螺旋线1的轴线12方向倾斜；在所述管壳3的内壁面上设有与所述夹持杆2的外壁面相对应的第二斜面31，所述第一斜面22与所述第二斜面31匹配地连接固定在一起。

进一步的，所述活性金属化层4包括从内向外依次设置的第一金属化层41、第二金属化层42和第三金属化层43；所述第一金属化层41的材质为钛，厚度为0.02-0.03μm；所述第二金属化层42的材质为钼，厚度为0.04-0.05μm；所述第三金属化层43的材质为铜，厚度为4-5μm。

如图1至14所示，一种用于本实施例中上述慢波结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、将夹持杆2的外壁面加工成斜面，得到第一斜面22；

S2、按照过盈量，在与夹持杆2的外壁面相对应的管壳3的内壁面上加工出与所述第一斜面22匹配对应的第二斜面31；本实施例中所述过盈量具体为0.01mm；

S3、在所述夹持杆2内壁面上溅射活性金属化层4；具体为，将氧化铍夹持杆2装入掩膜模具中，只露出夹持杆2上与螺旋线1相接触的内壁面，在该夹持杆2内壁面上先溅射一层第一金属化层41钛膜，再沉积一层第二金属化层42钼膜，最后溅射一层第三金属化层43铜层，进而在夹持杆2内壁面上形成活性金属化层4；

S4、将螺旋线1外壁面上的用于与所述夹持杆2内壁面相对应连接固定的连接面11加工成平面；其中连接面11与其他呈弧状的螺旋线的外壁面的高度差为0.03-0.05mm；

S5、按照螺旋线1的螺距尺寸，利用蓝光激光去除夹持杆2内壁面上未与螺旋线1相接触的非有效区域面23上的活性金属化层4；进而夹持杆2内壁面上有效区域面21上的活性金属化层4形成与螺旋线1上被加工成平面的连接面11相对应的焊接面；

S6、在冷态下，通过第一斜面22与第二斜面31的配合，沿所述螺旋线1的轴线12方向，将螺旋线1、夹持杆2和管壳3预装在一起；具体为，用模具限定管壳3一端的相对位置，螺旋线1与夹持杆2从另一端插入，由于管壳3内腔为锥形，插入的螺旋线及夹持杆组件的最大直径比剩余的管壳直径大一些，通常为0.005-0.01mm，所以在预装时，螺旋线1与夹持杆2从另一端插入直至限定的位置。

S7、加热管壳3，待管壳3温度上升至900℃后，将螺旋线1和夹持杆2完全的快速的插入管壳3，保温3-5分钟，冷却后即获得螺旋线行波管的慢波结构。

本发明的特点在于，通过在夹持杆2上溅射钛、钼和作为焊料的铜形成活性金属化层4，替代传统的单一金属化层，使的活性金属化层与氧化铍陶瓷夹持杆2之间的结合更牢固；且在夹持的同时实现夹持杆2与螺旋线1的焊接，克服了传统安装方法，即螺旋线1与夹持杆2在管壳3外焊接成一体后装入管壳3所存在的缺陷；同时本发明采用激光将活性金属化层上多余部分去除，可避免化学腐蚀方法带来的高频损耗，通过附图13所示出的本发明所提供的慢波结构与传统慢波结构的界面内外温差对比图，从图中对比结果可知，本发明所提供的慢波结构界面内外温差小于传统慢波结构的界面内外温差，界面内外温差越小说明热阻越小，散热性能越好，进而本发明所得到的慢波结构有效降低了螺旋线与夹持杆界面上的接触热阻，大大提高其散热能力及散热效率。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。