X波段螺旋线相位一致脉冲行波管的研制

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

  本文简述了X波段350W 相位一致脉冲行波管的成功研制情况,并简单介绍了其应用和后续需求。

  350W 相位一致脉冲行波管主要用于四路放大器功率合成试验。对行波管的主要要求:小型化、高效率、低重量。研制目标是实现脉冲功率350W、平均功率56W 的空间用功率合成行波管。主要技术指标是:工作频率X波段,带宽620MHz,输出功率350W,增益40dB,工作比16%,效率40%。

  1、行波管设计和计算

  本行波管的研制方案以原有的小型化行波管为基础,进行效率提高和其他改进,并保证采取措施保证行波管的相位一致性。

  原有小型化行波管样管实现了在X波段输出500W 的脉冲功率,工作比20%,效率大于35%。

  1.1、无截获栅控电子枪和周期永磁磁系统设计

  采用预研课题的无截获栅控电子枪和周期永磁(PPM)磁系统。图1是行波管电子枪加PPM系统后的Opera-3D软件的仿真结果。图1(a)是轴上的磁感应强度的轴向值,图1(b)是其电子轨迹。

行波管电子枪加PPM 磁系统后的模拟仿真结果

图1 行波管电子枪加PPM 磁系统后的模拟仿真结果

  1.2、高频结构的高效率设计

  为了获得高的行波管的电子互作用效率,采用夹持杆的优化与速度再同步技术两条途径。对螺旋线高频慢波结构实施速度再同步技术来提高行波管的互作用效率。为了使行波管达到尽量高的总效率,提高电子互作用效率是必须研究的问题,通过采用非均匀方式的输出线路,结合CAD技术,对渐变线路的渐变位置、渐变段长度和渐变强度对基波互作用效率的影响进行了计算。图2是MTSS三维仿真软件大信号计算结果的一组功率和效率值。

采用渐变后的三维计算结果

图2 采用渐变后的三维计算结果

  1.3、行波管多级降压收集极设计

  原有小型化行波管采用三级降压收集极,总效率35%。为保证本项目行波管效率达到40%,改用四级降压收集极。图3是四级降压收集极的初步计算结果,其中图3(a)是MSDC软件的仿真结果,图中电极之间的平行线及其延伸的淡色线是等电位线,其余的淡色线与深色线是原电子轨迹与次级电子的轨迹,原电子轨迹都从收集极入口出发,次级电子轨迹都在收集极电极边界与原电子轨迹相连。其降压效率为75.9%。图3(b)是TWTCAD软件对降压收集极的中频计算结果,图3(c)是MTSS降压收集极的三维中频计算结果。

四级降压收集极的仿真结果

图3 四级降压收集极的仿真结果

  1.4、脉冲行波管相位一致性的设计和测试

  北京真空电子技术研究所已具有相当成熟的连续波相位一致性行波管的控制技术,并且成功研制过相位一致的耦合腔脉冲行波管,但是相位一致的螺旋线脉冲行波管还是首次研制。脉冲行波管相位的一致性也在本项目的整机单位所做的功率合成中得到验证。图4为脉冲行波管的相位一致性测试原理图。

脉冲行波管相位测试系统

图4 脉冲行波管相位测试系统

  3、结束语

  X波段350W 相位一致脉冲行波管是螺旋线做高频的相位一致性脉冲行波管。行波管具有高效率、小尺寸、重量轻的特点,研制水平达到国内领先水平。整机单位已经利用本行波管完成了功率合成实验,创造了一定的经济效益。目前以本行波管为基础,用户又定制了更高技术指标的拓展的行波管。

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