雷达用X波段脉冲MPM的小型化行波管的研制

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

  本文论述了雷达用X波段脉冲MPM的小型化行波管的设计和制备及测试情况,并简单介绍了应用情况。

  微波功率模块(简称MPM)是一个高度集成的放大器,由固态放大器(SSA)、小型化行波管(Mini-TWT)和集成电源(IEPC)三大部件构成,与传统行波管放大器相比,具有尺寸小、重量轻、效率高、大信噪比的特点。MPM 在众多军事领域得到应用,其中,雷达用X波段脉冲MPM 是下一代有源相控阵雷达、精确制导系统等的关键大功率器件。小型化行波管作为雷达用脉冲MPM 的核心关键部件,其实现的难点和重点是小型化和高效率设计。因此,在整个雷达用脉冲MPM 中,小型化行波管也是实现其总体性能的关键。

  Mini-TWT要求的主要技术指标:工作频段为X 波段,脉冲功率500 W,带宽2 GHz,工作比20%,效率ηTWT>35%,阴极电压小于7800V,Mini-TWT体积小于220mm×35mm×25mm。

1、小型化行波管的关键技术及解决途径

  高效率是本行波管设计的关键。如果互作用效率低,当电压不变的情况下,获得相同的射频输出功率就得增大工作电流,增大电流就会增大热功耗,给已经很重的热功耗增大压力。并且增大电流会增加无截获栅控电子枪的栅极保护难度,高导流系数的无截获栅控电子枪的轨迹质量难以保证,这会影响管子的聚焦流通率。同时,高的互作用效率意味着管子工作需要的直流功率较小,产生的无用热量也将大幅度降低,从而大幅度降低行波管的功耗。行波管散热压力大幅下降,这样就对行波管的可靠性及其长寿命创造了十分有利的条件。

  为了获得行波管的高效率,采用高电子注填充比来提高电子效率和采用多级降压收集极来回收互作用完的电子的能量。需要说明的是,用户单位在考核脉冲行波管效率时,总功率包含了脉冲行波管脉冲间隙时的功率。这样,工作比不同时,效率比较的意义不是太大。

2、小型化行波管各部件的设计与仿真计算

  行波管设计采用无截获栅控电子枪、周期永磁(PPM)聚焦结构、同轴SMA输入、同轴TNC输出结构和三级降压收集极。

  2.1、无截获栅控电子枪的小型化设计

  电子枪的导流系数为0.63μP,电子注最小半径约0.61mm,选用阴极直径Φ4mm,面积压缩比M2≈10.9,有很好的轨迹质量。图1是用Opera3D计算的栅控电子枪的仿真结果,电子枪的外径为15.4mm。

电子枪CAD仿真结果

图1 电子枪CAD仿真结果

5、结束语

  小型化行波管的研制成功,为雷达用脉冲MPM 的完成提供了核心关键部件,使国内第一次实现脉冲MPM,填补了国内技术空白。脉冲MPM作为发射组件,又是机载火控雷达的关键组件,可以直接装备下一代战机。此外,脉冲MPM 应用于雷达,将使雷达的造价大幅度降低,对国防建设极为有利。

  雷达用脉冲MPM 的小型化行波管具有如下特点:①采用无截获栅控电子枪,栅控电压和阴极电压低(阴极电压低于7500V时,电源容易实现;②行波管尺寸小、重量轻,行波管整体尺寸为170mm×35mm×25mm,最后收集极处加散热包装高度不超过25mm,整个行波管小于500g。目前,小型化行波管的衍生产品已经被某整机单位选用。

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