大平均功率螺旋线行波管的研制(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京三乐电子信息产业集团有限公司 作者:汪春耘

  为满足整机已定型机的需要而研制的X 波段大工作比螺旋线功率行波管。该管采用无截获栅控电子枪、带相速跳变的慢波系统、PPM 聚焦系统、两级降压收集极和强迫风冷。该管电子枪、慢波系统、收集极和磁聚焦系统的设计采用了CAD 技术,在高频段与收集极间使用了再聚焦减少电子返转技术,加上整管良好的散热与可靠的包装结构、严格的装配工艺,最终保证了行波管有很高的效率,很大的平均功率、很好的过激励特性及能在机载的严酷环境条件下可靠工作。

1. 引言

  2006 年,在完成4kW、3%螺旋线行波管(以下简称A 管)的研制任务后,我们开始研制4kW、6%的螺旋线行波管。由于整机已定型,因此所有指标及外形、安装尺寸必须与整机上的行波管相同。

  根据用户给定的指标和外形尺寸,该管应为螺旋线行波管。对螺旋线行波管而言,五百兆带宽不算宽,34dB 的增益也不高,关键是6%的工作比,两级降压收集极以及大于30%的总效率。这三项指标也正是该项目的难点所在。2003 年,在限定的尺寸内,我们做出输出功率4kW、工作比3%、一级降压收集极、总效率大于25%的行波管。2005 年,我们研制出两级降压收集极。这些都为4kW、6%的螺旋线行波管研制打下了良好的基础。

2. 技术指标

  X 波段,带宽0.5GHz;脉冲输出功率4kW,工作比6%;两级降压收集极,总效率大于30%;SMA 同轴输入, FBP-100L 法兰输出。

3. 研制方案

  由于无样管,我们只能针对该管的特点、进度要求、工艺的继承性及我厂当时的情况,在A管的基础上,改善螺旋线散热结构。设计时要求行波管必须具有高可靠的电子枪,能耐低气压及能耗散高功率的高可靠两级降压收集极,具有高电子互作用效率的螺旋线慢波电路,正确的PPM 聚焦系统以及高可靠的结构设计。

3.1 总体设计

3.1.1 电压、导流系数及电子效率

  对于替代管,电压、电流都是确定的。

  根据用户用户技术指标,选同步电压Uo=12kV,阴极电流 Ikp=1.65A,这时导流系数

  Pμ=1.25μP;若输出功率Pout =4kW ,则电子互作用效率 ηe=0.20。

3.1.2 电子注流通率、收集极降压及总效率

  由常规计算及经验估算得出:

  若Uo=12kV,Uc1=8kV,Uc2=4kV,Ib =24mA,Ic1=50mA,Ic2 =25m,Pout =4kW,则总效率η=0.304。

3.2 电子枪设计

3.2.1 电子枪参数

  电压12kV,电流 1.65 A,导流系数 Pu=1.25μP,注半径 b=0.6 mm

3.2.2 CAD计算

  A 管电子枪总体指标满足该管的要求。我们通过乌克兰软件包里的optic程序对A 管电子枪加新的磁路结构进行计算调整,计算得到的电子枪参数如下:

  电压12 kV,栅极电压180 V,电 流 1.665 A,导流系数 Pu =1.26μp,注半径 b =0.59 mm,射程Zm =16 mm。带磁场的电子枪计算结果见图1:

3.2.3 电子枪的结构及可靠性设计

  考虑该管为机载管,试验条件比较苛刻,冲击强度、扫频振动等要求远高于一般行波管的试验条件,所以,我们把电子枪结构强度、可靠性放在第一位。电子枪内的支撑件、热屏蔽件均采用钎焊或激光焊,确保电子枪各个零部件结构的可靠性。

  电子枪打火是A 管比较突出的问题。我们做了以下改进:

  1. 提高电子枪内零件的光洁度;

  2. 改进连接件形状,尽量减少尖角,同时在局部作遮挡;

  3. 改进枪壳,去除靠近聚束极的一个封接环,枪壳直径略放大;

  4. 枪壳焊接由银焊改为铜银焊,解决银蒸发问题;

  5. 在枪内装消气剂。

3.3 慢波线的设计与振荡的抑制

3.3.1 慢波线和夹持杆的选取

  慢波线的设计经过了两个阶段。第一个方案,慢波线采用了薄螺旋带,夹持杆为矩形氧化铍杆,b/a较大,考虑到该管频带较窄,故未采用相速渐变技术。2007 年初,我们做出了性能指标全部达标的行波管。但是,4 只行波管在6%工作比工作50 小时左右时,全部烧毁。我们及时对烧毁的管子进行了解剖分析。从解剖管看,均是输出螺旋线烧断,且有夹持杆熔化现象。

  经讨论,我们认为:

  1) 管子工作时,管内温度很高。当螺旋线支撑材料温度超过500℃时, 氧化铍瓷导热率随温度升高急剧下降,而此时氮化硼的导热率明显优于氧化铍瓷。

  2) 受装配方法影响,薄螺旋带变形;薄螺旋带功率容量不够。

  3) b/a 较大,影响了电子流通率;

  4) 电子效率偏低。

  针对存在的问题,我们修改了设计方案:

  1) 加宽加厚螺旋带,加大螺旋线功率容量;

  2) 夹持杆由矩形氧化铍杆改为矩形氮化硼杆,确保导热途径畅通;

  3) 加大输出螺旋线内径,改善动态流通;

  4) 采用相速渐变技术,提高电子效率。

3.3.2 慢波线的设计

  我们现在使用的计算程序在电子枪计算时较准,但在高频计算时偏差太大。而相速渐变离开计算机几乎不可能实现,在国内外所有文章中都不会出现跳变的具体数据。在哪儿跳?跳多少?

  在无任何其他新程序时,我们采用了计算和装管相结合的方法,不断总结经验,不断修正程序,在一年多的时间内,我们进行了上千次的计算,数十次装管,最终将电子效率由18% 提高到23% ,图3为相速渐变示意图。

3.3.3 衰减与切断

  该管采用一次切断。为了获得高效率,输入段增益低一点,输出段增益尽量高一点。输出段采用相速跳变后,起振条件改变了,输出衰减器比原先缩短15mm。切断两边设置的碳膜衰减器,实现了良好的阻抗匹配。

3.4 输能装置的设计

3.4.1 输出窗

  考虑到同轴与波导转换处既要电接触可靠,又要保证气密,我们将波导接入了真空。这就带来两个问题,一是要加一个盒形窗,二是盒形窗有一定的高度,会占用管子下部的风道。

  早期盒形窗与波导用氩弧焊连接(图6)。后改为盒形窗与波导直接硬焊(图7)。这种结构更可靠,同时可以为风道增加4.3mm 高度。

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