大平均功率螺旋线行波管的研制(2)

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

3.4.2 阻抗变换器

  用四级脊形阶梯阻抗变换器完成从同轴到标准波导的阻抗变换。波导转弯为直角转,降低了转弯高度,见图8。

3.5 磁聚焦系统的设计

3.5.1 基本参数

  电压12 kV,电 流1.65 A,导流系数 Pu = 1.25μp,注半径 b = 0.6 mm,布里渊场 Bb = 8.33·Io1/2/(b×Uo1/4)=1704(Gs)根据经验,轴向磁场值Bz0 =1.5 2 Bb可得到较好的电子注流通率。

3.5.2 磁系统结构的计算结果

3.6 降压收集极的设计

3.6.1 收集极的电子光学设计

  相比于A管,该管收集极的降压幅度更大。在A 管收集极的基础上,我们将带相速渐变的高频计算结果代入专用计算程序,按照新的降压比计算出降压收集极的电子轨迹,再调整收集极内表面的形状使耗散的功率密度尽量均匀。计算结果如图12所示。

3.6.2 收集极结构

  在结构设计中我们没有实用的样品作为参考资料,而结构设计涉及到收集极的支撑绝缘和散热。该项目收集极的平均耗散功率约600W,体积小且需满足机载雷达的低气压要求。设计这样一个风冷的收集极是有一定难度的。

  收集极的支撑有板、圆杆、圆珠等形式。两级降压收集极有两个独立的收集极,其中第一降压收集极的尺寸较小,圆杆圆珠的装配比较困难,综合考虑多种因素后,我们决定用三块平板在圆周方向均布的形式作支撑。假如用三块平板同时夹紧二个降压收集极,由于加工公差的不同,不能保证两个收集极同时夹紧,所以采用了两个降压收集极分别由三块瓷板夹紧,再对两个降压收集极进行二次加工,最后将两个收集极焊接成整体。由于进行了二次加工,两个收集极间的定位问题也得到很好的解决。

  第一收集极的引线在夹板间隙中通过,并设置在收集极的外端口。制备好的降压收集极能经受10000V 的冷高压。

3.6.3 再聚焦段

  电子注在脱离高频互作用区后将有很大的速度零散,其中有很多电子具有较大的横向速度。由于轴向速度降低,在降压收集极拒斥场作用下将引起电子返转。如果让电子在一个衰变磁场中扩散,横向速度就转化成轴向运动,结果径向速度减小,返转的电子将大大减少。为此我们设计了再聚焦段,取得较好的效果。

4. 课题的进展情况

4.1 突破的关键工艺与技术

4.1.1 氮化硼夹持杆的应用

  早期该管未选用氮化硼夹持杆,其原因就在于:氮化硼夹持杆在大工作比工作时,放气,流通变差,管子功率下跌。经过反复摸索,我们逐渐掌握了氮化硼夹持杆的处理工艺,成功地将氮化硼夹持杆用于该项目。

4.1.2 提高效率

  在螺旋带加宽加厚、螺旋线孔径加大,耦合阻抗降低的状况下,该管在输出段采用了三次相速跳变,成功地将电子效率由18%提高到23%,带内最高电子效率达26%。

4.1.3 提高增益

  相速跳变后,同样的慢波线长度,增益降低了。反复调整衰减器长度,增益与振荡总是一对矛盾。在这种情况下,我们只能加长慢波线。加长L1(见图3),同步电压会有较大变化,这主要是跳变点改变了。假如同步电压一样,到达输出段入口处的电子注就不一样。为了满足输出段跳变的需要,就需调整同步电压。经过CAD 计算及装管试验,我们最终将加长段放在L3,既满足了效率,又使增益达到合同要求。

4.1.4 电子流通率

  电子流通率低一直困扰着该管。从研制开始,我们一直把这个问题放在重要的位置上考虑。但几年过去了,无论是加大内孔,还是调整磁场,只要功率达到指标要求,流通立即变差。《行波管研制技术》一书指出:大功率高电子效率行波管,特别是速度负渐变的大功率高电子效率行波管,由于电子注大量的能量被取走,平均速度降低很多,还由于电子注被高度聚束,互作用后的电子注的空间电荷密度变得很高。

  这也正是散焦大的原因。另外,该管降压幅度过大,对流通率也有较大影响。在这种情况下,我们将关注点从提高电子流通率转变到提高电子效率,同时提高螺旋线的热承受力,改善螺旋线的散热条件上。目前,该管各极电流分配能够保证行波管在各种例试环境中安全工作,同时也达到用户对电源功率及总效率的要求。

4.2 典型曲线

  图中三角点段为用户指定频带。从测试曲线看,该管带宽达1GHz,远远超过用户要求。

5. 总结

  该管在无样管,无参考资料的情况下,依靠我们自己研发,获得了大量的一手资料。在研制中采用了CAD 技术,解决了包括慢波电路、相速跳变、电子枪、磁路、两级降压收集极等一系列设计问题,使管子各项参数满足了技术指标的要求,同时也使我们的螺旋线管迈上了一个新的台阶。

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