宽带大功率行波管高效率技术研究

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

  本文针对宽带大功率连续波行波管,对其慢波结构、多级降压收集极和输能结构进行技术研究,利用MTSS和CST仿真技术,改进原有结构方式,进一步提高宽带大功率行波管整管效率。

  随着武器装备不断的更新换代,机载武器装备对行波管效率的要求越来越高。中国电科12所自20世纪90年代开展宽带连续波行波管研究以来,已经形成了功率量级为25W、50W、100W、200W等一系列产品,打破了西方产品的垄断局面。在宽带大功率行波管方面主要以200W 系列为主,经过十几年的发展,整管效率从15%提升到28%。近年来有报道称国外此频段内宽带大功率连续波行波管效率已达到40%,例如法国THALES 公司的TH4443行波管,国内产品与其尚有一定差距。

  行波管在忽略灯丝功率、截获损耗和高频损耗的情况下,总效率与收集极效率及互作用效率的关系式为宽带大功率行波管高效率技术研究。因此要提高宽带大功率行波管的总效率,就要从提高行波管互作用效率和收集极效率两方面着手。通过对国内外宽带高效率行波管的参数进行比较可以看到:法国THALES公司的高效率行波管主要通过降低工作电压、提高导流系数、优化高频系统、提高互作用效率以及采用多级降压收集极来提高整管效率;而国内的宽带行波管普遍采用单收或两级降压收集极,因此整管效率偏低。

1、提升互作用效率的研究

  一般来说,宽带行波管为了在全频带得到理想的输出功率,需要慢波结构具有平坦的色散特性,通过对已有管型的CAD仿真结果分析得出:T 型翼片加载、品型夹持杆支撑的螺旋线慢波结构的色散特性较为平坦,同时高频段的耦合阻抗下降较少,对于功率、增益和效率的影响也较小,为首选结构。以采用此种慢波结构的200 W 管型为例,边频(18GHz)的互作用效率达到13%以上。

  利用动态相速渐变(DVT)技术可以进一步提高互作用效率。DVT技术的设计思想是:在输出段强化电子注群聚现象,形成幅值更高的交变电流,增加减速场中的电子比例,从而使更多的电子参与能量转换,提高互作用效率。具体做法是通过在互作用长度上设置不同的螺距分布,使得高频信号与电子注速度在不同的区域都可以达到需要的同步状态,电子注的动能可以最大限度的转变为高频能量。

  本文在成熟管型的基础上,降低工作电压,螺距采取了三段跳变的方式,如图2所示。从仿真结果来看,互作用效率有了明显的提高,从14%提高到了17%,实测边频(18GHz)的互作用效率达到16.8%以上(图3)。

高频结构模型及DVT技术螺距跳变方式

图1 高频结构模型及DVT技术螺距跳变方式

原有均匀螺距与跳变螺距

图2 原有均匀螺距与跳变螺距

2、结论

  本文利用MTSS和CST对6~18GHz宽带大功率连续波行波管的高频系统、收集极和输能系统进行技术研究,优化改进后,样管实测的互作用效率达到16.8%以上,收集极效率达到70%以上,整管效率达到全频带38%以上,达到了提升宽带大功率行波管整管效率的目的(图8)

样管改进前后输出功率和互作用效率对比

图8 样管改进前后输出功率和互作用效率对比

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