Ku 波段高效率脉冲行波管的研制

2012-12-22陈彩云李晓峰

电子器件 2012年2期

陈彩云，李晓峰，张超

(南京三乐电子信息产业集团有限公司，南京211800)

电子武器装备的更新换代对雷达、通信及电子战系统提出了越来越高的要求。而作为下一代电子系统中非常关键的发射机技术，必须具备体积小、重量轻、频带宽、效率高等特点，也对行波管的性能指标提出了更高的要求，要求行波管具备宽频带、高功率、高效率和高可靠等特点。Ku 波段高效率脉冲行波管得到广泛的应用，本文所论述的Ku 波段高效率脉冲行波管是为满足雷达整机系统的发展需求而进行研制的［1］。

1 Ku 波段脉冲行波管的技术要求

Ku 波段行波管主要技术难点在于实现等激励高功率、高效率，而要获得等激励高功率、高效率的最重要前提是设计和实现高性能电子注交换通过率的电子光学系统，并采用相速再同步技术和二级降压收集极提高效率。

Ku 波段脉冲行波管的技术要求如下:

工作频率范围:Ku 波段，带宽2 GHz;脉冲输出功率:≥2. 2 kW(等激励);增益:≥50 dB;效率:≥30%。

2 电子光学系统的研究与计算

电子枪采用无截获栅控电子枪，在三乐集团现有无截获栅控电子枪的基础上进行CAD 软件优化设计结果如图1 所示。

图1 电子枪的光学结构图

图1 为电子枪在工作状态下，阴极贴到荫影栅的表面，电子枪的导流系数、阴极电流最大，因装配后与阴极膨胀的不一致会造成电子枪在工作状态下阴极到荫影栅的距离不是理想化。进行了电子枪在工作状态下阴极到荫影栅距离为0.00 mm、0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm 时的阴极总电流和导流系数的计算，计算结果如表1 所示。

表1 不同的阴－荫距离对阴极总电流和导流系数的影响

由表1 所示的CAD 计算结果表明随着阴极到荫影栅之间的距离增加，电子枪的导流系数、阴极电流变小，影响电子枪的电子注径、层流性，造成整管特性不能满足要求［2－3］。

我们可以通过以下公式可以解释阴栅间的距离增加，阴极的电流变小的原因。

Vg为阴极与栅极间的电压，Va阴极与阳极间的电压，(－αa)阳极处的郎缪尔－布劳吉特系数，dgc为阴极与栅极间的距离［4－5］。

上式参数的定义如图2 所示。

图2 电子枪参数示意图

阴极与荫影栅同电位，当阴极贴到荫影栅的表面，控制栅与阴极的距离dgc为计算距离，阴极的电场强度就是需要的电场强度，阴极电流最大。当阴极与荫影栅随着距离的增加，控制栅与阴极的距离dgc变为荫影栅与控制栅间的距离，计算的阴栅dgc变小，阴极的电场强度变小，阴极电流变小，CAD 软件计算与电流计算公式相吻合。

掌握阴极的膨胀系数，控制阴极到荫影栅装配尺寸，得到满足行波管特性需求的电子注径、层流性能较好的电子枪。为了提高行波管工作的可靠性，阴极采用预分解工艺减少蒸发，栅网采用电解抛光工艺减少电子枪打火。

3 慢波系统设计

为了满足该管等激励高功率、高效率特性要求，现有CAD 设计完全有能力设计出高质量的高频参数。为了提高电子注效率，慢波结构采用相速再同步技术，通过CAD 设计，获得优化高频结构，电子效率由12%提高到18%，功率由2.0 kW 提高到2.5 kW，螺旋线的螺距分布如图3，曲线1 为常规的计算结果，电子效率由12%，脉冲功率2.0 kW，曲线2 为CAD再优化计算结果，电子效率由18%，脉冲功率2.5 kW，慢波电路的互作用大信号计算结果如图4 所示。