行波管非对称收集极的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:张强

  目前行波管正朝着小型化、大功率以及高频率三个方向发展。对行波管的收集极进行一维或者多维尺寸的非对称改进是行波管小型化的重要途径。椭圆收集极相对传统圆收集极具有内表面面积大、一维尺寸小等优点,是一种非常可取的收集极形状。根据轴对称电场几何相似性定理,在收集极入口通过类似四极透镜作用将圆柱型电子注压缩成为类椭圆形电子注,更利于椭形收集极对电子的回收。利用计算机辅助设计软件对重新设计的行波管椭圆收集极进行仿真,为非对称收集极设计提供参考。

  行波管所具有的高效率、高功率及高频率工作的优点,在面对固态器件竞争时,依然具有很大的优势。为了满足现代武器装备的需求,行波管朝着小型化、大功率以及高频率方向发展。在实际应用的弹载、星载、无人机载以及微波功率模块(MPM)等空间狭小的工作场合,对行波管的具体尺寸具有严格的要求。收集极作为行波管中径向最大的部件,是制约行波管横向尺寸缩小的主要原因之一。根据轴对称电场几何相似性,电极尺寸的同比例改变,电子轨迹形状及尺寸与未改变前相似。因此要设计一个椭圆收集极,不仅将收集极的电极形状改成椭形,而且要将收集极入口的圆形电子注压缩成扁形电子注。这样就利于椭圆收集极对电子的回收。

1、电子透镜

  四极透镜是一个非旋转对称系统,是在其对称轴等距离处不同的方位角上对称的放置两对电极,相对两极电位相同,相邻电极电位不同,结构如图1(a)所示,其x 轴方向加电压为正,y 轴加电压为负。通过opera软件模拟可以求出其内部电场,其内部电场矢量结果如图1(b)所示。

四极透镜及四极透镜内部电场示意图

图1 四极透镜及四极透镜内部电场示意图

  从图1可以看出,如果电子注通过此种电极时,电子注中电子受电场力的大小、方向和其所在位置有关。在x 轴上的电子,受到的电场力方向为背向电子注中心,而在y 轴上的电子受到电场力为指向圆心。所以从电子注整体来看,电子注在x轴受到为拉伸的电场力,而在y 轴受到压缩的电场力。由于考虑到实际收集极结构,加载一个标准的四极透镜是非常不实际的。而在收集极第一极入口处往外伸出电极联合管壳也能起到类似四极透镜的效果,结构如图2(a)所示,其中外圆为漂移段管壳其电位为0,伸出电极电位为-U,内部电场矢量如图2(b)所示。

电子透镜及电子透镜内部示意图 

图2 电子透镜及电子透镜内部示意图

结论

  在现代行波管朝尺寸更小的方向发展下。对行波管尺寸要求比较严格的环境,比如在微波功率模块中,收集极一维尺寸直接影响其整体高度。用文中的方法可以将收集极的一维尺寸缩小,并且在收集极效率和返流率等衡量收集极好坏的重要指标上变化很小。基本能够满足实际需求。

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