大平均功率螺旋线行波管的研制(1)

bomoaa · 发表于 2011-5-21 08:22:05

　　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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