Ku 波段高效率脈沖行波管的研制

2012-12-22 05:58:26陳彩云李曉峰

電子器件 2012年2期

關鍵詞：效率

陳彩云，李曉峰，張超

(南京三樂電子信息產業集團有限公司，南京211800)

電子武器裝備的更新換代對雷達、通信及電子戰系統提出了越來越高的要求。而作為下一代電子系統中非常關鍵的發射機技術，必須具備體積小、重量輕、頻帶寬、效率高等特點，也對行波管的性能指標提出了更高的要求，要求行波管具備寬頻帶、高功率、高效率和高可靠等特點。Ku 波段高效率脈沖行波管得到廣泛的應用，本文所論述的Ku 波段高效率脈沖行波管是為滿足雷達整機系統的發展需求而進行研制的［1］。

1 Ku 波段脈沖行波管的技術要求

Ku 波段行波管主要技術難點在于實現等激勵高功率、高效率，而要獲得等激勵高功率、高效率的最重要前提是設計和實現高性能電子注交換通過率的電子光學系統，并采用相速再同步技術和二級降壓收集極提高效率。

Ku 波段脈沖行波管的技術要求如下:

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 電子光學系統的研究與計算

電子槍采用無截獲柵控電子槍，在三樂集團現有無截獲柵控電子槍的基礎上進行CAD 軟件優化設計結果如圖1 所示。

圖1 電子槍的光學結構圖

圖1 為電子槍在工作狀態下，陰極貼到蔭影柵的表面，電子槍的導流系數、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下陰極到蔭影柵的距離不是理想化。進行了電子槍在工作狀態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 時的陰極總電流和導流系數的計算，計算結果如表1 所示。

表1 不同的陰－蔭距離對陰極總電流和導流系數的影響

由表1 所示的CAD 計算結果表明隨著陰極到蔭影柵之間的距離增加，電子槍的導流系數、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，dgc為陰極與柵極間的距離［4－5］。

上式參數的定義如圖2 所示。

圖2 電子槍參數示意圖

陰極與蔭影柵同電位，當陰極貼到蔭影柵的表面，控制柵與陰極的距離dgc為計算距離，陰極的電場強度就是需要的電場強度，陰極電流最大。當陰極與蔭影柵隨著距離的增加，控制柵與陰極的距離dgc變為蔭影柵與控制柵間的距離，計算的陰柵dgc變小，陰極的電場強度變小，陰極電流變小，CAD 軟件計算與電流計算公式相吻合。

掌握陰極的膨脹系數，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，陰極采用預分解工藝減少蒸發，柵網采用電解拋光工藝減少電子槍打火。

3 慢波系統設計

為了滿足該管等激勵高功率、高效率特性要求，現有CAD 設計完全有能力設計出高質量的高頻參數。為了提高電子注效率，慢波結構采用相速再同步技術，通過CAD 設計，獲得優化高頻結構，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 為常規的計算結果，電子效率由12%，脈沖功率2.0 kW，曲線2 為CAD再優化計算結果，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算結果如圖4 所示。