功率增益高、频谱宽的真空器件行波管,被广泛应用在雷达信号监测、军事电子对抗、卫星通信导航等领域。工作中的行波管温度场变化幅度较大,导致应力、电性能变化较大。对行波管进行电磁设计时,如果未考虑应力形变将与实际情况相差甚远。因此,对行波管进行多物理场分析可作为制管前判断性能的重要手段。此外,行波管的加工装配细节也可导致与原设计性能差异较大,对关键部件的加工装配过程进行仿真可以预判工作性能并指导工艺细节。本文基于多物理场仿真软件平台ANSYS Workbench和微波管仿真软件套装MTSS研究了行波管关键部件和加工工艺的多物理场仿真。主要工作和创新点如下:1.基于对电子枪结构及材料的研究,完成了电子枪的多物理场仿真分析,获得了枪中组件的温度场、应力场,并分析了应力形变对电子枪工作性能的影响。对电子枪进行多物理场仿真可评估材料的热稳定性和工作性能变化,实现电子枪的性能预测,并指导优化设计。2.基于螺旋线高频结构中的热源分析,完成了高频结构的多物理场分析。通过将分布不均匀的热损耗分段添加在螺旋线内表面,实现热源的精确模拟。通过仿真螺旋线高频结构的温度场和应力场,并分析结构形变对高频系统电性能的影响,分析材料热稳定性和器件工作性能变化,实现对高频结构的性能预测,并指导结构优化。3.对收集极的结构材料与散热方式进行研究,完成了收集极的多物理场分析。为减少热形变,在筒外添加不同数量散热翅片,并根据仿真结果确定优化结构方案,有效减少温度应力变化。4.为避免高温下电子枪阴极与热丝的间距变化过大导致电子枪性能变差,基于对行波管阴极组件装配工艺的深入调研,建立了一种能精确确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法。仿真利用ANSYS Workbench进行电子枪热力分析,将形变修复后的阴极与热丝导入CST,利用CST中的接触判断功能精确测量形变后间距。根据预设装配容差率,优化模型,可有效改善装配后电子枪的热形变及热丝效率等问题。5.对高频结构石墨热挤压工艺进行研究,实现了螺旋线高频结构石墨热挤压工艺的多物理场仿真分析。由于工艺过程中升温和降温过程的边界条件和环境温度不同,分别模拟升温和降温的过程,并将升温终态的模型修复后作为降温过程的初始模型,以确保升温和降温过程模型的连续性。测量降温终态模型的关键参数,依此建立形变后模型,并分析应力形变对高频系统电性能的影响。通过对高频结构石墨热挤压工艺的多物理场仿真可指导实际工艺流程,确定关键工艺参数,并能预估装配后高频结构的性能。