多注行波管PPM聚焦系統(tǒng)橫向磁場研究

黎澤倫， 孟 杰， 黃友均， 彭 浩

（重慶科技學院 機械與動力工程學院，重慶 401331）

多注行波管是在單注行波管的基礎上，采用多電子注技術發(fā)展起來的一種新型大功率微波器件。由于多注行波管具有頻帶寬、效率高、體積小、工作電壓低以及質量輕等顯著優(yōu)點，成為近年來引起各國極大關注的一類新型微波電真空器件［1－3］。多注耦合腔行波管已被廣泛應用于雷達系統(tǒng)和電子對抗，而大功率雷達系統(tǒng)整機要求器件質量輕、體積小，均勻永磁聚焦結構和周期反轉聚焦結構由于體積大、質量重已經不再適用［4－5］。PPM聚焦系統(tǒng)與均勻線包磁場聚焦系統(tǒng)相比具有體積小、質量輕、本身不消耗功率、雜散磁場小、使用方便等優(yōu)點而被廣泛應用于微波管電子注聚焦，所以目前的多注行波管中一般都采用PPM聚焦系統(tǒng)［6－8］。多電子注聚焦一直是PPM 聚焦系統(tǒng)設計的難點，國內外對于PPM聚焦系統(tǒng)的研究［9－12］，目前還沒有提出系統(tǒng)的解決方案。

1 多注PPM聚焦系統(tǒng)橫向磁場分析

行波管PPM聚焦系統(tǒng)產生橫向磁場的主要原因是極靴結構上不滿足旋轉對稱性［13］。對于單注PPM聚焦系統(tǒng)如果不考慮耦合槽，它在結構上就是旋轉對稱的；但是在多注PPM聚焦系統(tǒng)中，即使不考慮耦合槽，對于邊注而言，極靴片仍是非旋轉對稱的，即對于邊注無法從根本上消除橫向磁場。為探究多注PPM聚焦系統(tǒng)的橫向磁場，對圖1所示的7注PPM聚焦系統(tǒng)進行橫向磁場仿真。由于其結構上具有中心對稱性，所以只需要對邊注通道1、2進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖1 7注PPM聚焦系統(tǒng)

圖2 邊注1、2橫向磁場仿真

根據(jù)圖2，將電子通道內的橫向磁場分為極靴區(qū)域和互作用空間區(qū)域2個部分，其橫向磁場的產生原因是不同的，互作用空間區(qū)域的橫向磁場是由于鐵制加載頭的“端部效應”引起的。鐵制加載頭邊緣由于端部處的磁場強度較強，會有大量磁力線從端部出發(fā)到達相鄰極靴片上的鐵制加載頭區(qū)域。當磁力線從鐵制加載頭端部發(fā)出時，會在互作用空間產生一個徑向分量，同樣當磁力線進入相鄰極靴片上的鐵制加載頭時，則會產生一個方向相反的徑向分量，從而形成圖2中方向相反的互作用空間橫向磁場。圖3所示為形成互作用空間橫向磁場的磁力線走向圖，可以看出極靴端部區(qū)域出發(fā)的磁力線正是形成互作用區(qū)域內橫向磁場的重要原因。

圖3 加載頭處橫向磁場

極靴區(qū)域內橫向磁場是由于通道孔四周的磁場強度不是中心對稱引起的。由電子光學基本原理可知，每一個電子通道孔內都會存在一個鞍點，磁力線從極靴沿徑向出發(fā)，到達電子通道孔后轉為軸向［14］。極靴片對于邊注通道孔而言是非中心對稱的，即邊注電子通道孔四周的磁場強度也是非中心對稱的，則進入電子通道孔由徑向轉軸向的磁場也是非中心對稱的，從而形成了電子通道孔處的橫向磁場，如圖4所示。從圖4可以清晰地看到，極靴通道孔內的磁力線分布具有明顯的非對稱性，這正是形成極靴區(qū)域通道孔內橫向磁場的原因。

圖4 電子通道孔處橫向磁場

圖5所示為相鄰2片極靴及其之間的互作用區(qū)域內的橫向磁場分布，它描述了電子通道在一個完整的磁周期內橫向磁場的變化情況。從圖5可以清楚地看到，PPM聚焦系統(tǒng)中電子通道孔的橫向磁場主要分布在互作用區(qū)域的兩端和極靴區(qū)域內，又以極靴邊緣區(qū)域尤為明顯。

圖5 橫向磁場分布

2 雙耦合槽對中心通道橫向磁場的抑制

傳統(tǒng)的單注耦合腔行波管一般采用單耦合槽結構［15］。對于單注耦合腔行波管，耦合槽的排列方式分為0°排列和180°交錯排列2種情況。從減小橫向磁場的觀點看，耦合槽按0°排列的PPM聚焦系統(tǒng)結構要比耦合槽按180°排列的PPM聚焦系統(tǒng)結構優(yōu)越。在相鄰極靴片上耦合槽以180°交替排列的PPM聚焦系統(tǒng)中，由于耦合槽的存在使磁場結構發(fā)生了畸變，每片極靴中的鞍點位置要沿徑向偏離軸心，即產生了通道孔內的橫向磁場。而對于互作用空間的橫向磁場主要是由于耦合槽邊緣包括加載頭邊緣磁場的尖端效應，耦合槽和加載頭邊緣的磁場強度較強，有大量的磁力線從邊緣溢出，這些磁力線從耦合槽的邊緣發(fā)出到達相鄰極靴的耦合槽邊緣而進入極靴；耦合槽按180°排列的PPM聚焦系統(tǒng)中，由于耦合槽分布在軸向中心線的兩側，當磁力線從一片極靴到達另一片極靴時必然有一徑向分量穿過軸向中心線，從而形成互作用空間的橫向磁場，如圖6所示。耦合槽的幾何尺寸，包括耦合槽的角度和寬度以及耦合槽距離中心軸線的距離對上述橫向磁場的影響較為明顯。

圖6 單注互作用空間橫向磁場示意圖

當耦合槽0°排列時，由于相鄰極靴片的耦合槽位于軸向中心線的同側，所以幾乎不會有徑向磁力線穿過電子通道孔所在的軸向中心線，因此耦合槽0°排列的PPM聚集系統(tǒng)的互作用空間的橫向磁場較小，2片相鄰極靴中間處橫向磁場幾乎為0。但是無論耦合槽180°交錯排列還是0°排列，中心通道孔內的橫向磁場是一直存在的。

如果采用圖7所示的對稱雙耦合槽極靴片，由于極靴片關于中心軸線呈中心對稱，所以既可以保證互作用空間的橫向磁場為0，也可以保證通道孔內的橫向磁場為0。在多注耦合腔PPM聚焦系統(tǒng)中，對于邊注通道而言，極靴結構不可能呈旋轉對稱或者中心對稱，而且多通道孔的存在也會影響極靴內磁場的分布，所以即使采用雙耦合槽結構，邊注通道還是會存在橫向磁場，但是可以減小中心注的橫向磁場。

圖7 雙耦合槽極靴

3 鐵質加載頭對橫向磁場的作用

在單注PPM聚焦系統(tǒng)中，適當增加鐵質加載頭的高度，可以改善由于結構非旋轉對稱引起的橫向磁場［15］；但是在多注特別是采用了雙耦合槽結構的PPM聚焦系統(tǒng)中，鐵質加載頭對橫向磁場的抑制不再那么明顯，甚至還會使橫向磁場增加。鐵質加載頭對橫向磁場的抑制作用主要體現(xiàn)在對中心注的橫向磁場抑制，當采用雙耦合槽時，已經消除了中心注的橫向磁場；另外在多注PPM聚焦系統(tǒng)中，由于邊注通道更靠近加載頭的邊緣，當加載頭的高度增加時，可能導致互作用空間的橫向磁場增加。模擬圖1所示的雙耦合槽結構的PPM聚焦系統(tǒng)橫向磁場隨鐵質加載頭高度h變化的情況，所得結果如圖8所示。

圖8 橫向磁場隨加載頭高度的變化曲線

從圖8可以看到，隨著加載頭高度的增加，無論邊注1還是邊注2互作用空間處的橫向磁場增強，而通道孔處的橫向磁場幾乎不變。所以不同于單注的是，在多注PPM聚焦系統(tǒng)中鐵制加載頭對橫向磁場不再有抑制作用，反而使橫向磁場增加。

4 電子通道孔布局對橫向磁場的影響

從以上分析知道，鐵制加載頭的邊緣是產生橫向磁場的主要因素之一。如果控制外層通道孔中心所在的半徑r，那么橫向磁場是會產生變化的。對圖1所示的PPM聚焦系統(tǒng)進行模擬，所得結果如圖9所示。

從圖9可以看到隨著r的增加，無論邊注1還是邊注2互作用空間的橫向磁場會有明顯的增強，而通道孔處橫向磁場變化相對不明顯。這再次證明了上述論斷：互作用空間處的橫向磁場是由鐵制加載頭的邊緣產生的。

而對于電子通道孔處的橫向磁場，設圖1中A點所在半徑為r1，B點所在半徑為r2，互作用空間的均勻磁感應強度為BZ，極靴厚度為W，則A點的磁感應強度為（BZ／W）r1，B點的磁感應強度為（BZ／W）r2，A、B2 點 的 磁 感 應 強 度 之 差 為（BZ／W）（r1－r2），r1－r2為電子通道直徑，所以無論電子通道所在半徑如何變化，徑向2點A、B的磁感應強度之差為定值，即產生的電子通道孔處的橫向磁場幾乎不變。

圖9 橫向磁場隨電子通道半徑變化曲線

5 多注PPM聚焦系統(tǒng)橫向磁場改進方法

無論單注PPM聚焦系統(tǒng)還是多注PPM聚焦系統(tǒng)，橫向磁場都可以分為互作用空間橫向磁場和通道孔處橫向磁場，因此對于抑制橫向磁場就可以從上述2個方面入手：

（1）極靴片采用雙槽耦合，可以確保中心注的橫向磁場為0和改善極靴片的旋轉對稱性。

（2）針對互作用空間處的橫向磁場進行有效改善，途徑如下：采用銅制加載頭，減小鐵制加載頭的高度；盡量減小最外層電子通道孔所在半徑r，讓其遠離鐵制加載頭的邊緣。

在圖1所示的2層電子通道的結構中，外層通道孔處的橫向磁感應強度十分微弱，其與軸向磁感應強度的比值約為0.25%，可以不予考慮；如果電子通道多于2層，最外層通道由于內部多層通道孔的影響，電子通道孔處的橫向磁場會略有增加，在磁鋼剩磁不變的情況下可以稍微增加極靴片的厚度來改善通道孔處的橫向磁場。

按照上述方法設計的多注PPM聚焦系統(tǒng)的橫向與軸向磁感應強度的比值為0.6%，遠遠低于一般要求的2%，其靜態(tài)通過率可以達到100%；實測采用5A電流發(fā)射，收集極接收到電流4.9A，實測通過率為98%。

6 結束語

PPM聚焦系統(tǒng)中的橫向磁場是影響微波管電子通過率的重要原因之一。目前對多注PPM聚焦系統(tǒng)的設計一般采用單注結構的設計方法，而最終的結果通常是邊注設計未達到預期目標，特別是在頻段更高、注數(shù)更多的結構中。本文針對多注PPM聚焦系統(tǒng)的特點，詳細地分析了各部分橫向磁場的產生原因和一些敏感參數(shù)對橫向磁場的影響。針對各部分橫向磁場的產生原因，找到了可以改善橫向磁場的有效方法，此方法不但適用于多注而且對單注也行之有效。利用此方法設計的多注PPM聚焦系統(tǒng)的橫向與軸向磁感應強度的比值可以達到0.6%，實測靜態(tài)電子通過率可達98%。

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