大平均功率螺旋線行波管的研制

2010-01-25 汪春耘南京三樂電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司

　　為滿足整機(jī)已定型機(jī)的需要而研制的X 波段大工作比螺旋線功率行波管。該管采用無(wú)截獲柵控電子槍、帶相速跳變的慢波系統(tǒng)、PPM 聚焦系統(tǒng)、兩級(jí)降壓收集極和強(qiáng)迫風(fēng)冷。該管電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極和磁聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了CAD 技術(shù)，在高頻段與收集極間使用了再聚焦減少電子返轉(zhuǎn)技術(shù)，加上整管良好的散熱與可靠的包裝結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的裝配工藝，最終保證了行波管有很高的效率，很大的平均功率、很好的過(guò)激勵(lì)特性及能在機(jī)載的嚴(yán)酷環(huán)境條件下可靠工作。

1. 引言

　　2006 年，在完成4kW、3%螺旋線行波管（以下簡(jiǎn)稱A 管）的研制任務(wù)后，我們開始研制4kW、6%的螺旋線行波管。由于整機(jī)已定型，因此所有指標(biāo)及外形、安裝尺寸必須與整機(jī)上的行波管相同。

　　根據(jù)用戶給定的指標(biāo)和外形尺寸，該管應(yīng)為螺旋線行波管。對(duì)螺旋線行波管而言，五百兆帶寬不算寬，34dB 的增益也不高，關(guān)鍵是6％的工作比，兩級(jí)降壓收集極以及大于30％的總效率。這三項(xiàng)指標(biāo)也正是該項(xiàng)目的難點(diǎn)所在。2003 年，在限定的尺寸內(nèi)，我們做出輸出功率4kW、工作比3%、一級(jí)降壓收集極、總效率大于25%的行波管。2005 年，我們研制出兩級(jí)降壓收集極。這些都為4kW、6%的螺旋線行波管研制打下了良好的基礎(chǔ)。

2. 技術(shù)指標(biāo)

　　X 波段，帶寬0.5GHz；脈沖輸出功率4kW，工作比6%；兩級(jí)降壓收集極，總效率大于30%；SMA 同軸輸入, FBP-100L 法蘭輸出。

3. 研制方案

　　由于無(wú)樣管，我們只能針對(duì)該管的特點(diǎn)、進(jìn)度要求、工藝的繼承性及我廠當(dāng)時(shí)的情況，在A管的基礎(chǔ)上，改善螺旋線散熱結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)要求行波管必須具有高可靠的電子槍，能耐低氣壓及能耗散高功率的高可靠?jī)杉?jí)降壓收集極，具有高電子互作用效率的螺旋線慢波電路，正確的PPM 聚焦系統(tǒng)以及高可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 電壓、導(dǎo)流系數(shù)及電子效率

　　對(duì)于替代管，電壓、電流都是確定的。

　　根據(jù)用戶用戶技術(shù)指標(biāo)，選同步電壓Uo＝12kV，陰極電流 Ikp＝1.65A，這時(shí)導(dǎo)流系數(shù)

　　Pμ＝1.25μP；若輸出功率Pout ＝4kW ，則電子互作用效率 ηe＝0.20。

3.1.2 電子注流通率、收集極降壓及總效率

　　由常規(guī)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)估算得出：

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

3.2 電子槍設(shè)計(jì)

3.2.1 電子槍參數(shù)

　　電壓12kV，電流 1.65 A，導(dǎo)流系數(shù) Pu=1.25μP，注半徑 b=0.6 mm

3.2.2 CAD計(jì)算

　　A 管電子槍總體指標(biāo)滿足該管的要求。我們通過(guò)烏克蘭軟件包里的optic程序?qū) 管電子槍加新的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，計(jì)算得到的電子槍參數(shù)如下：

　　電壓12 kV，柵極電壓180 V，電流 1.665 A，導(dǎo)流系數(shù) Pu =1.26μp，注半徑 b =0.59 mm，射程Zm =16 mm。帶磁場(chǎng)的電子槍計(jì)算結(jié)果見圖1：

3.2.3 電子槍的結(jié)構(gòu)及可靠性設(shè)計(jì)

　　考慮該管為機(jī)載管，試驗(yàn)條件比較苛刻，沖擊強(qiáng)度、掃頻振動(dòng)等要求遠(yuǎn)高于一般行波管的試驗(yàn)條件，所以，我們把電子槍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性放在第一位。電子槍內(nèi)的支撐件、熱屏蔽件均采用釬焊或激光焊，確保電子槍各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)的可靠性。

　　電子槍打火是A 管比較突出的問(wèn)題。我們做了以下改進(jìn)：

　　1. 提高電子槍內(nèi)零件的光潔度；

　　2. 改進(jìn)連接件形狀，盡量減少尖角，同時(shí)在局部作遮擋；

　　3. 改進(jìn)槍殼，去除靠近聚束極的一個(gè)封接環(huán)，槍殼直徑略放大；

　　4. 槍殼焊接由銀焊改為銅銀焊，解決銀蒸發(fā)問(wèn)題；

　　5. 在槍內(nèi)裝消氣劑。

3.3 慢波線的設(shè)計(jì)與振蕩的抑制

3.3.1 慢波線和夾持桿的選取

　　慢波線的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)階段。第一個(gè)方案，慢波線采用了薄螺旋帶，夾持桿為矩形氧化鈹桿，b/a較大，考慮到該管頻帶較窄，故未采用相速漸變技術(shù)。2007 年初，我們做出了性能指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)的行波管。但是，4 只行波管在6%工作比工作50 小時(shí)左右時(shí)，全部燒毀。我們及時(shí)對(duì)燒毀的管子進(jìn)行了解剖分析。從解剖管看，均是輸出螺旋線燒斷，且有夾持桿熔化現(xiàn)象。

　　經(jīng)討論，我們認(rèn)為：

　　1) 管子工作時(shí)，管內(nèi)溫度很高。當(dāng)螺旋線支撐材料溫度超過(guò)500℃時(shí), 氧化鈹瓷導(dǎo)熱率隨溫度升高急劇下降，而此時(shí)氮化硼的導(dǎo)熱率明顯優(yōu)于氧化鈹瓷。

　　2) 受裝配方法影響，薄螺旋帶變形；薄螺旋帶功率容量不夠。

　　3) b/a 較大，影響了電子流通率；

　　4) 電子效率偏低。

　　針對(duì)存在的問(wèn)題，我們修改了設(shè)計(jì)方案：

　　1) 加寬加厚螺旋帶，加大螺旋線功率容量；

　　2) 夾持桿由矩形氧化鈹桿改為矩形氮化硼桿，確保導(dǎo)熱途徑暢通；

　　3) 加大輸出螺旋線內(nèi)徑，改善動(dòng)態(tài)流通；

　　4) 采用相速漸變技術(shù)，提高電子效率。

3.3.2 慢波線的設(shè)計(jì)

　　我們現(xiàn)在使用的計(jì)算程序在電子槍計(jì)算時(shí)較準(zhǔn)，但在高頻計(jì)算時(shí)偏差太大。而相速漸變離開計(jì)算機(jī)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)外所有文章中都不會(huì)出現(xiàn)跳變的具體數(shù)據(jù)。在哪兒跳？跳多少？

　　在無(wú)任何其他新程序時(shí)，我們采用了計(jì)算和裝管相結(jié)合的方法，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷修正程序，在一年多的時(shí)間內(nèi)，我們進(jìn)行了上千次的計(jì)算，數(shù)十次裝管，最終將電子效率由18% 提高到23% ，圖3為相速漸變示意圖。