MPM用微型化电子枪设计

2014-09-14 邵淑伟 北京真空电子技术研究所

　　本文介绍了微型化电子枪的电气和结构设计，利用成都电子科技大学开发的“宽带大功率行波管CAD集成环境”、“微波管模拟器套装”和基于有限元方法的三维电磁仿真软件对电子枪进行模拟仿真及优化。研制出的微型化电子枪的电子注流通率大于99.5%，各项指标满足整管需要，电子枪结构安全可靠，可满足机载条件。

　　微波功率模块(MPM)是完全小型化和高度集成的微波放大器，它同时吸收了真空电子器件的高效率、高功率和宽带特性以及固态器件的低噪声和强信号处理能力两方面的优点，因而MPM 在下一代先进的微波系统中应用前景广泛，随着技术和工艺的发展MPM 对行波管的小型化提出了严格的要求，其中的关键技术为在保证模块的体积和重量的在限定范围内，确保高质量、高导电系数的电子束的聚焦技术、大电流密度阴极以及电子枪制造技术。

　　本论文针对电子枪的微型化进行研究，利用现有软件进行仿真计算和结构设计，完成小型化行波管电子枪的研究。

1、MPM 用微型化电子枪设计

　　1.1、电气设计

　　由于MPM 对小体积、小重量的要求较高，因此要求进一步缩小电子枪尺寸，在满足整管正常工作前提下，尽量取较低的阴极的负荷，但同时由于整管的功率需求阴极发射电流没有减小，所以阴极的面压缩比将比较大，对于电子注的形成以及磁聚焦带来一定的影响。

　　利用行波管(TWT)CAD二维软件对电子枪进行建模计算，经过多次优化后确定了电子枪的参数如表1所示。

表1　多次优化后电子枪的参数

多次优化后电子枪的参数

　　由表1可以看出，①电子参量满足要求；②射程9.14mm，满足PPM系统的入射条件；③阴极工作电流密度1.1A/cm2，采用的M 型阴极发射能力为8A/cm2，只用了七分之一的能力，足以保证阴极寿命大于5000h。因此上述的电气设计是合理可行的。

　　1.2、结构设计

　　在电气设计满足参数要求的情况下，结构设计也是电子枪设计的重要一环。枪结构设计的难点在于在较小的横向尺寸(枪外径小于11.8mm)内达到足够的绝缘强度和结构要求。

电子枪结构示意图

图1　电子枪结构示意图

阴极附近电流密度分布

图2　阴极附近电流密度分布

　　借用北京真空电子技术研究所成熟生产课题的电子枪原型采用套筒式叠片结构，实现了在小横向尺寸限制下的高绝缘性，满足整管使用要求。这种结构的特点是用横向嵌套的瓷筒实现高绝缘、电极支撑筒作为气密瓷封件的金属件，减少了零件的使用，使电子枪的外径尺寸做小成为可能。与现有枪结构相比，横向尺寸从13mm压缩到11.8mm，长度从26mm压缩为22mm。在使用时热丝电压大多是一次直接加到使用电压，此时由于热丝冷阻较小，所以热丝电流较大，长期的大热量冲击会对热丝造成损害，直至造成热丝断裂。为了避免此情况的发生，在设计时对热丝设置了过渡区，即在热丝中间设置一个圆环使热丝的长度变短，减少电子枪首次启动时浪涌电流对热丝的冲击，同时增加热丝抗力学冲击和振动的能力，新旧结构对比如图3。为了控制阴极的发射电流，在结构设计时把阳极安装座先和电子枪组件焊接在一起，通过不同尺寸的垫片微调阴极和阳极的距离以保证装配时的尺寸能满足电设计尺寸。

热丝过渡新旧结构对比示意图

图3　热丝过渡新旧结构对比示意图

　　在完成结构设计后进行了电子枪结构的力学分析。

　　1.2.1、模态分析

　　建立电子枪模型后对电子枪进行三阶模态仿真，结果见图4。

电子枪模态分析仿真图

图4　电子枪模态分析仿真图

　　通过前三节模态可知，基模频率已经远远大于机载环境使用的2000Hz，因此不存在发生低频谐振的可能性，安全系数非常高。

　　1.2.2、冲击振动分析

　　冲击条件按照机载条件进行，即半正弦波，时间为11ms，强度30g。最大位移时刻位移分布如图5所示。图5(a)和(b)中最大位移发生在阴极底盖上，最大位移为4.7×10-5 mm；图5(c)中最大位移发生在阴极上，最大位移为1.17×10-4 mm。

最大位移时刻位移分布

图5　最大位移时刻位移分布

　　通过计算可知，该枪基模频率可达9250.7Hz，远大于机载使用环境，发生谐振的可能性非常小。在30g，11ms的半弦波冲击载荷下，横向冲击位移最大，最大位移发生在阴极处，最大位移为1.17×10-4　mm，相对于电子枪的装配精度0.2mm来说，此位移引起的电子注变化很小，可以忽略不计，因此该枪有足够的强度在以上冲击载荷下保持正常工作。

　　经制管测试表明阴极加热效率高，需要的灯丝功率仅5 W。同时整管通过了标准的机载环境试验，说明本电子枪结构抗振能力强，能承受14.5g的随机振动、19.7g的耐久振动和30g的冲击试验。

2、实际测试结果

　　采用本设计制作了样管，测试结果如表2所示。

表2　测试结果

MPM用微型化电子枪设计

　　由表2可以看出，管子的静态流通率达到了99.5%，各项参数基本符合设计要求。该电子枪结构具有结构简单、零件加工周期短、装配成品率高、绝缘性能好等特点。其聚焦极对管体耐压能力达到了8kV，聚焦极对阴极耐压能力达到了3kV，该电子枪结构的工艺流程和技术已经成熟。

3、结论

　　(1)设计了MPM 用微型化电子枪，并完成了结构设计和力学仿真；

　　(2)进行制管验证，结果表明电子枪的各个参数均已满足整管需要；

　　(3)枪结构设计合理，整管通过了20grms的极高强度的随机振动试验；

　　(4)电子枪尺寸的小型化得到了进一步的发展，为相控阵体制的MPM 研究打下了基础。