C波段10%大工作比柵控耦合腔行波管

王愛美，王百全，余 堯

(南京三樂電子信息產業集團有限公司，南京211800)

雷達系統在現代高技術戰爭中占有十分重要的地位，警戒指揮、測量跟蹤、精密制導和航空管制等都需要先進的雷達系統。新型雷達的發展需求推動著大功率、大工作比、寬帶微波管的發展。其發展的趨勢是采用大工作比降低峰值輸出功率和工作電壓，減少高電壓下打火機率，提高微波管工作穩定可靠性［1-4］。寬的工作頻帶有利于頻率捷變，抗敵方干擾［5］。微波管性能的提高就是對電子設備的戰術性能的提升［6］。本項目是應新型雷達發展需要而研制的C波段柵控耦合腔脈沖行波管(如圖1)。

圖1 行波管外形圖

1 關鍵設計技術

1.1 電子槍

采用無截獲柵控電子槍。采用整體式的無氧銅控制柵有效地抑制柵極發射。

電子槍光學尺寸CAD仿真初步結果如圖2、圖3所示。

圖2 電子軌跡

圖3 性能參數計算模擬情況

從初步CAD仿真結果圖可以看出，電子注的脈動和磁場的擾動較大，不利于行波管通過率的提高。

根據初步CAD仿真結果，進一步優化調整柵網尺寸和過渡區距離［7］。調整后的電子槍光學尺寸仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 電子軌跡

圖5 性能參數計算模擬情況

根據優化的CAD計算結果，進行了裝電子槍試驗，試驗結果滿足設計要求。表1為優化調整后電子注的主要參數。

表1 優化調整后電子注的主要參數

1.2 互作用慢波電路

行波管能夠在大工作比條件下滿足高功率、高效率工作的要求并且能長期可靠地工作是慢波電路設計的一大難點。設計的慢波電路不但要滿足高功率和大工作比條件下熱耗散的要求，而且要提高慢波電路與電子注互作用的效率。

采用耦合腔慢波電路。使用吸收小腔來抑制邊帶振蕩，采用相速跳變提高電子效率，采用液冷冷卻。整個慢波電路兩次切斷，整管增益達45 dB以上。

慢波電路的色散特性CAD計算模型如圖6所示。通過冷測調整，使理論計算和實測基本吻合。慢波電路的初步色散特性如圖7所示。

圖6 CST軟件計算模型

圖7 初步色散特性

研制出的1#樣管在滿工作比條件下的高頻特性雖然滿足了初樣的要求，但明顯存在幾個問題:①頻帶偏向低端;②流通率偏低;③增益比較低，只有35 dB。因此需對色散特性進行調整，優化調整后的色散特性如圖8所示。

圖8 優化色散特性

新的設計方案調整了色散特性曲線。改變了電周期、腔片的槽角和腔環的內徑。提高了色散曲線的平坦度，拓寬行波管的有效工作頻帶。另外，提高部分小瓷的吸收峰頻率，拓寬小瓷的吸收帶寬，以便更好地滿足制管要求。

按新的設計方案研制出的2#管的性能完全滿足技術指標要求。2#管在14%的相對帶寬內等激勵時的脈沖輸出功率均大于12 kW，增益波動0.8 dB。整管電子注動態流通率大于96%，增益大于49 dB。

2 大信號模擬計算和實測比較

行波管大信號模擬計算的功率、增益特性和實測的功率、增益特性曲線分別如圖9～圖12所示。

圖9 CAD大信號計算的功率曲線

圖10 CAD大信號計算的增益曲線

圖11 實測的功率曲線

圖12 實測的增益曲線

通過比較可以看出，CAD大信號計算的功率、增益曲線和實測的功率、增益曲線基本吻合［8］。

3 結論

行波管已完成鑒定試驗，交付用戶使用可靠。它具有頻帶寬、大工作比、增益波動小等特點。本管的成功研制，為雷達系統性能的進一步提高提供了必要的技術儲備，也為C波段大工作比、寬頻帶、中峰值輸出功率、低電壓柵控脈沖行波管的研制奠定了技術基礎。

［1］廖復疆，孫振鵬，閆鐵昌，等.微波真空電子器件的應用.雷達系統的工作原理及核心器件［M］.真空電子技術.北京:國防工業出版社，2008.7(1):1-20(10):368-370.

［2］真空電子技術［J］.北京真空電子技術研究所主辦，2010，6:10-15.

［3］首屆微波真空電子器件高峰論壇論文集［C］//南京，2010.8:30-40.

［4］真空電子技術［J］.北京真空電子技術研究所主辦，2011，2:20-30.

［5］王文祥.微波工程技術［M］.北京:國防工業出版社，2009.4(4)239-242.

［6］姜興渭，宋政吉，王曉晨.可靠性工程技術［M］.哈爾濱工業大學出版社，2005:10:6-10.

［7］A.S.吉爾默.行波管原理［M］.中國電子科技集團公司第十二研究所:84-91.

［8］郭開周.行波管研制技術［M］.北京:電子工業出版社，2008:126-132.