耦合腔行波管多级降压收集极的模拟设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏淮阴工学院计算科学系 作者:马亚林

  本文中较全面地讨论了多级降压收集极的物理模型。通过分析3个工作频率点高频输出端的电子注特性来设计多级降压收集极:借助电子注层流性参量,对带有再聚焦磁场的散群聚区进行优化,得到磁场参量的初始值;运用电子轨迹等效电位图,确定各电极的初步电位,通过收集极区结构和电极电位的优化得到较高的收集极效率;通过收集极的全面优化使收集极效率得到了进一步的提高;在考虑二次电子发射情况下,对收集极结构和电极电位进行优化,在保证收集极效率的情况下使二次电子回流率为零。模拟结果表明:借助电子注层流参量设计出带有再聚焦磁场的散群聚区使电子轨迹层流性得到较大改善;合理的结构和电极电位能得到较高的收集极效率;二次电子发射对收集极效率影响较大,合理的调节外凸锥形电极的倾角能避免二次电子回流。此设计运用于一耦合腔行波管收集极的模拟计算,达到了良好的效果。

  行波管是一种宽频带、高效率、大功率的微波功率放大器件,广泛应用于雷达、通信、电视、广播、电子对抗等各种电子设备中。多级降压收集极(MDC)附加到行波管中,从互作用后的电子中回收可观的能量,从而提高行波管的效率,改善散热条件,减轻重量,提高了整管的稳定性和可靠性。收集极效率和二次电子回流是收集极设计的重要指标。

  采用计算机模拟计算,可以快速地进行多级降压收集极设计,缩短设计周期,节约成本,降低损耗和浪费,提高设计水平和设计能力。多级降压收集极模拟设计成为当前行波管设计制造过程中不可或缺的重要环节。国内外有不少学者借助模拟设计软件对收集极模拟设计进行了研究。

  耦合腔行波管相对于螺旋线行波管输出功率大,但其频宽较窄,电子效率较低,故耦合腔行波管更有必要采用降压收集极回收废电子能量,提高整管效率。本文主要是针对行波管内收集极模拟设计进行的,通过对高频输出端高中低工作频率点电子注特性分析,在大致确定再聚焦磁场、电极数及其电位和结构的基础上考虑二次电子发射的收集极进行优化设计。运用此设计对一耦合腔行波管收集极进行模拟设计,取得了良好的效果,同时为实际收集极的设计提供了一些分析方法和依据。

1、物理模型

1.1、带有再聚焦磁场(PPM)的散群聚区

  多级降压收集极通常被分为散群聚区和降压收集极区两部分分别进行分析,所谓散群聚区是指从高频输出腔出口到收集极入口这一漂移段。在散群聚区已经基本上没有高频电场的作用,磁场的聚焦作用也在减弱,但互作用后的电子的空间群聚依然存在,电子注的紊乱度较大,除此之外,快电子超越慢电子,产生轨迹交叉,故废电子注能量及角度范围较大。为有效收集废电子,在散群聚区加上再聚焦磁场进行改善。它有两方面的目的:减小空间电荷力的作用;减少电子注中横向速度分量,使之变成可以被回收的纵向速度分量。衡量再聚焦区的标准是其对废电子注层流性的改善程度。电子注的特性可用平均半径〈r〉、平均角度〈α〉及角度偏差σ〈α〉来表示,σ〈α〉(均方根) 是衡量电子注层流性的量。对于一个包含N 个微粒的电子注,这些量的表达式为

  其中,下标i和f表示开始和结束状态。

1.2、多级降压收集极的工作原理

  在高频系统中,一方面电子束与高频场互作用,电子会得到减速,另一方面,电子注与场的互作用又要求维持同步条件,电子的能量不可能在互作用区得到完全的利用,总会有一部分电子能量以动能的形式保留下来,因而电子利用率比较低。多级降压收集极是在收集极内形成适当分布的静电场,经过互作用后的电子注进入收集极,运动于这个减速静电场中,最后按速度分类收集,动能比较大的电子打到电位比较低的电极表面,动能比较小的电子打到电位比较高的电极表面,如此,电子都以比较低的速度被收集。由于电子在减速场中运动,电子对电源做功而将能量交回给直流电源了。这就是采用多级降压收集极提高行波管总效率的工作原理。多级降压收集极设计的主要工作就是安排适当的电极位置和电位对进入降压收集极区的电子注进行回收。为了更好收集电子,设计时应遵循以下准则:

  (1) 电子尽可能被低电位电极收集,但避免所有电子到达同一点;

  (2) 电子按照能量(主要是指动能) 的不同分类收集,使不同能量的电子到达不同的电极上;

  (3) 设计最合理的电极,尽可能使电子速度的减量达到最大(收集极效率最高) ;

  (4) 收集极设计不应太复杂(即用最简单、最少的收集电极数达到最好的收集效果) ;

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3、总结

  带有再聚焦磁场散群聚区对进入收集极区的电子轨迹分布有着重要的影响,从而影响收集极效率。散群聚区尺寸(长度和电子通道直径) 和再聚焦磁场参量(磁场峰值、磁场起点、磁场周期) 是带有再聚焦磁场散群聚区设计的关键,因此在实际设计中应考虑这几个因素的影响。借助电子注层流性参量,调节再聚焦磁场和散群聚区可得到层流性良好的电子注。

  根据进入MDC的电子注特性,描绘出散群聚区电子轨迹的等效电位分布图,从而确定了收集极级数和初步电极电位。这样,减小了计算仿真和实际设计的盲目性,从而方便了MDC的设计。借助模拟设计软件,结合收集区的初步结构可优化出收集极效率较高的电极电位和收集极结构。

  二次电子对降压收集极的效率和电子回流率有重要影响,而收集极效率与电子回流率又是考核降压收集极设计的重要指标。根据打在优化后收集极电极上原电子的平均能量和平均入射角度以及选用的电极材料确定真二次电子发射系数和背射电子发射系数,借助模拟设计软件对收集极进行精心的电子光学设计,大大改善了二次电子发射对收集极效率和回流率的影响,使模拟设计更接近实际,特别是采用外凸锥形电极调节二次电子回流的新方法,使电极结构简单,调节方便。但也应该注意到真二次电子发射系数和背射电子发射系数除受上述因素影响外,同时还受到电极表面状态的影响,如粗糙度和清洁度,故实际加工电极时应提高电极表面的粗糙度和清洁度。

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