Ku 波段高效率脈沖行波管的研制

陳彩云 ，李曉峰，張 超

(南京三樂電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，南京211800)

電子武器裝備的更新?lián)Q代對雷達(dá)、通信及電子戰(zhàn)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。而作為下一代電子系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的發(fā)射機(jī)技術(shù)，必須具備體積小、重量輕、頻帶寬、效率高等特點(diǎn)，也對行波管的性能指標(biāo)提出了更高的要求，要求行波管具備寬頻帶、高功率、高效率和高可靠等特點(diǎn)。Ku 波段高效率脈沖行波管得到廣泛的應(yīng)用，本文所論述的Ku 波段高效率脈沖行波管是為滿足雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展需求而進(jìn)行研制的［1］。

1 Ku 波段脈沖行波管的技術(shù)要求

Ku 波段行波管主要技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)等激勵高功率、高效率，而要獲得等激勵高功率、高效率的最重要前提是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能電子注交換通過率的電子光學(xué)系統(tǒng)，并采用相速再同步技術(shù)和二級降壓收集極提高效率。

Ku 波段脈沖行波管的技術(shù)要求如下:

工作頻率范圍:Ku 波段，帶寬2 GHz;脈沖輸出功率:≥2. 2 kW(等激勵);增益:≥50 dB;效率:≥30%。

2 電子光學(xué)系統(tǒng)的研究與計(jì)算

電子槍采用無截獲柵控電子槍，在三樂集團(tuán)現(xiàn)有無截獲柵控電子槍的基礎(chǔ)上進(jìn)行CAD 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 電子槍的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

圖1 為電子槍在工作狀態(tài)下，陰極貼到蔭影柵的表面，電子槍的導(dǎo)流系數(shù)、陰極電流最大，因裝配后與陰極膨脹的不一致會造成電子槍在工作狀態(tài)下陰極到蔭影柵的距離不是理想化。進(jìn)行了電子槍在工作狀態(tài)下陰極到蔭影柵距離為0.00 mm、0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm 時(shí)的陰極總電流和導(dǎo)流系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 不同的陰－蔭距離對陰極總電流和導(dǎo)流系數(shù)的影響

由表1 所示的CAD 計(jì)算結(jié)果表明隨著陰極到蔭影柵之間的距離增加，電子槍的導(dǎo)流系數(shù)、陰極電流變小，影響電子槍的電子注徑、層流性，造成整管特性不能滿足要求［2－3］。

我們可以通過以下公式可以解釋陰柵間的距離增加，陰極的電流變小的原因。

Vg為陰極與柵極間的電壓，Va陰極與陽極間的電壓，(－αa)陽極處的郎繆爾－布勞吉特系數(shù)，dgc為陰極與柵極間的距離［4－5］。

上式參數(shù)的定義如圖2 所示。

圖2 電子槍參數(shù)示意圖

陰極與蔭影柵同電位，當(dāng)陰極貼到蔭影柵的表面，控制柵與陰極的距離dgc為計(jì)算距離，陰極的電場強(qiáng)度就是需要的電場強(qiáng)度，陰極電流最大。當(dāng)陰極與蔭影柵隨著距離的增加，控制柵與陰極的距離dgc變?yōu)槭a影柵與控制柵間的距離，計(jì)算的陰柵dgc變小，陰極的電場強(qiáng)度變小，陰極電流變小，CAD 軟件計(jì)算與電流計(jì)算公式相吻合。

掌握陰極的膨脹系數(shù)，控制陰極到蔭影柵裝配尺寸，得到滿足行波管特性需求的電子注徑、層流性能較好的電子槍。為了提高行波管工作的可靠性，陰極采用預(yù)分解工藝減少蒸發(fā)，柵網(wǎng)采用電解拋光工藝減少電子槍打火。

3 慢波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足該管等激勵高功率、高效率特性要求，現(xiàn)有CAD 設(shè)計(jì)完全有能力設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的高頻參數(shù)。為了提高電子注效率，慢波結(jié)構(gòu)采用相速再同步技術(shù)，通過CAD 設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)化高頻結(jié)構(gòu)，電子效率由12%提高到18%，功率由2.0 kW 提高到2.5 kW，螺旋線的螺距分布如圖3，曲線1 為常規(guī)的計(jì)算結(jié)果，電子效率由12%，脈沖功率2.0 kW，曲線2 為CAD再優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，電子效率由18%，脈沖功率2.5 kW，慢波電路的互作用大信號計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖3 螺距分布

圖4 頻率－效率－輸出功率圖

根據(jù)裝管實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果完全能制得符合特性要求的行波管，螺旋線電解拋光加強(qiáng)散熱和減少慢波線的高頻損耗。經(jīng)裝管測試后整管的電子效率為18%，脈沖輸出功率2.5 kW 以上，增益達(dá)到52 dB 以上［6－7］。

4 測試結(jié)果

通過一年多時(shí)間的研制，整管特性取得了理想的結(jié)果，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，在Ku 波段頻率范圍2 GHz 內(nèi)等激勵工作，脈沖輸出功率大于2.5 kW，總效率≥30%并通過了各項(xiàng)環(huán)境例行試驗(yàn)。整管的輸出功率曲線圖5 所示，整管的增益曲線圖6 所示，整管的效率曲線圖7 所示［8］。

圖5 頻率－輸出功率曲線

圖6 頻率－增益曲線

圖7 效率－頻率響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明:高質(zhì)量電子注和高電子流通率、相速再同步技術(shù)、降壓收集極技術(shù)等使行波管得到寬頻帶、等激勵、高效率的有效措施。

該管在用戶整機(jī)調(diào)試，滿足整機(jī)要求，均通過各環(huán)境試驗(yàn)，得到用戶的好評。

［1］ 電子管設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.中小功率行波管設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1976:1－3.

［2］ 皮爾斯.行波管［M］.科學(xué)出版社，1961:1－3.

［3］ 吳鴻適.微波電子學(xué)原理［M］.科學(xué)出版社，1987:1－3.

［4］ 吉爾默A S. 行波管原理［M］. 吳常津，譯. ，2008:257－258.

［5］ 格拉瓦涅夫斯基.電子管的理論和計(jì)算基礎(chǔ)［M］. 人民教育出版社，1964:10－15.

［6］ 劉逸群.采用相速變化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Ku 波段脈沖行波管［C］//中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會 第十七屆學(xué)術(shù)年會論文集，2009.9:137－140.

［7］ 郭開舟.物理及理論問題［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2011:75－78.

［8］ 內(nèi)部資料. 真空電子器件測試［M］. 國營第七七二廠，1997:28－30.