多注行波管PPM聚焦系统横向磁场研究

黎泽伦， 孟 杰， 黄友均， 彭 浩

（重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331）

多注行波管是在单注行波管的基础上，采用多电子注技术发展起来的一种新型大功率微波器件。由于多注行波管具有频带宽、效率高、体积小、工作电压低以及质量轻等显著优点，成为近年来引起各国极大关注的一类新型微波电真空器件［1－3］。多注耦合腔行波管已被广泛应用于雷达系统和电子对抗，而大功率雷达系统整机要求器件质量轻、体积小，均匀永磁聚焦结构和周期反转聚焦结构由于体积大、质量重已经不再适用［4－5］。PPM聚焦系统与均匀线包磁场聚焦系统相比具有体积小、质量轻、本身不消耗功率、杂散磁场小、使用方便等优点而被广泛应用于微波管电子注聚焦，所以目前的多注行波管中一般都采用PPM聚焦系统［6－8］。多电子注聚焦一直是PPM 聚焦系统设计的难点，国内外对于PPM聚焦系统的研究［9－12］，目前还没有提出系统的解决方案。

1 多注PPM聚焦系统横向磁场分析

行波管PPM聚焦系统产生横向磁场的主要原因是极靴结构上不满足旋转对称性［13］。对于单注PPM聚焦系统如果不考虑耦合槽，它在结构上就是旋转对称的；但是在多注PPM聚焦系统中，即使不考虑耦合槽，对于边注而言，极靴片仍是非旋转对称的，即对于边注无法从根本上消除横向磁场。为探究多注PPM聚焦系统的横向磁场，对图1所示的7注PPM聚焦系统进行横向磁场仿真。由于其结构上具有中心对称性，所以只需要对边注通道1、2进行仿真，仿真结果如图2所示。

图1 7注PPM聚焦系统

图2 边注1、2横向磁场仿真

根据图2，将电子通道内的横向磁场分为极靴区域和互作用空间区域2个部分，其横向磁场的产生原因是不同的，互作用空间区域的横向磁场是由于铁制加载头的“端部效应”引起的。铁制加载头边缘由于端部处的磁场强度较强，会有大量磁力线从端部出发到达相邻极靴片上的铁制加载头区域。当磁力线从铁制加载头端部发出时，会在互作用空间产生一个径向分量，同样当磁力线进入相邻极靴片上的铁制加载头时，则会产生一个方向相反的径向分量，从而形成图2中方向相反的互作用空间横向磁场。图3所示为形成互作用空间横向磁场的磁力线走向图，可以看出极靴端部区域出发的磁力线正是形成互作用区域内横向磁场的重要原因。

图3 加载头处横向磁场

极靴区域内横向磁场是由于通道孔四周的磁场强度不是中心对称引起的。由电子光学基本原理可知，每一个电子通道孔内都会存在一个鞍点，磁力线从极靴沿径向出发，到达电子通道孔后转为轴向［14］。极靴片对于边注通道孔而言是非中心对称的，即边注电子通道孔四周的磁场强度也是非中心对称的，则进入电子通道孔由径向转轴向的磁场也是非中心对称的，从而形成了电子通道孔处的横向磁场，如图4所示。从图4可以清晰地看到，极靴通道孔内的磁力线分布具有明显的非对称性，这正是形成极靴区域通道孔内横向磁场的原因。

图4 电子通道孔处横向磁场

图5所示为相邻2片极靴及其之间的互作用区域内的横向磁场分布，它描述了电子通道在一个完整的磁周期内横向磁场的变化情况。从图5可以清楚地看到，PPM聚焦系统中电子通道孔的横向磁场主要分布在互作用区域的两端和极靴区域内，又以极靴边缘区域尤为明显。

图5 横向磁场分布

2 双耦合槽对中心通道横向磁场的抑制

传统的单注耦合腔行波管一般采用单耦合槽结构［15］。对于单注耦合腔行波管，耦合槽的排列方式分为0°排列和180°交错排列2种情况。从减小横向磁场的观点看，耦合槽按0°排列的PPM聚焦系统结构要比耦合槽按180°排列的PPM聚焦系统结构优越。在相邻极靴片上耦合槽以180°交替排列的PPM聚焦系统中，由于耦合槽的存在使磁场结构发生了畸变，每片极靴中的鞍点位置要沿径向偏离轴心，即产生了通道孔内的横向磁场。而对于互作用空间的横向磁场主要是由于耦合槽边缘包括加载头边缘磁场的尖端效应，耦合槽和加载头边缘的磁场强度较强，有大量的磁力线从边缘溢出，这些磁力线从耦合槽的边缘发出到达相邻极靴的耦合槽边缘而进入极靴；耦合槽按180°排列的PPM聚焦系统中，由于耦合槽分布在轴向中心线的两侧，当磁力线从一片极靴到达另一片极靴时必然有一径向分量穿过轴向中心线，从而形成互作用空间的横向磁场，如图6所示。耦合槽的几何尺寸，包括耦合槽的角度和宽度以及耦合槽距离中心轴线的距离对上述横向磁场的影响较为明显。

图6 单注互作用空间横向磁场示意图

当耦合槽0°排列时，由于相邻极靴片的耦合槽位于轴向中心线的同侧，所以几乎不会有径向磁力线穿过电子通道孔所在的轴向中心线，因此耦合槽0°排列的PPM聚集系统的互作用空间的横向磁场较小，2片相邻极靴中间处横向磁场几乎为0。但是无论耦合槽180°交错排列还是0°排列，中心通道孔内的横向磁场是一直存在的。

如果采用图7所示的对称双耦合槽极靴片，由于极靴片关于中心轴线呈中心对称，所以既可以保证互作用空间的横向磁场为0，也可以保证通道孔内的横向磁场为0。在多注耦合腔PPM聚焦系统中，对于边注通道而言，极靴结构不可能呈旋转对称或者中心对称，而且多通道孔的存在也会影响极靴内磁场的分布，所以即使采用双耦合槽结构，边注通道还是会存在横向磁场，但是可以减小中心注的横向磁场。

图7 双耦合槽极靴

3 铁质加载头对横向磁场的作用

在单注PPM聚焦系统中，适当增加铁质加载头的高度，可以改善由于结构非旋转对称引起的横向磁场［15］；但是在多注特别是采用了双耦合槽结构的PPM聚焦系统中，铁质加载头对横向磁场的抑制不再那么明显，甚至还会使横向磁场增加。铁质加载头对横向磁场的抑制作用主要体现在对中心注的横向磁场抑制，当采用双耦合槽时，已经消除了中心注的横向磁场；另外在多注PPM聚焦系统中，由于边注通道更靠近加载头的边缘，当加载头的高度增加时，可能导致互作用空间的横向磁场增加。模拟图1所示的双耦合槽结构的PPM聚焦系统横向磁场随铁质加载头高度h变化的情况，所得结果如图8所示。

图8 横向磁场随加载头高度的变化曲线

从图8可以看到，随着加载头高度的增加，无论边注1还是边注2互作用空间处的横向磁场增强，而通道孔处的横向磁场几乎不变。所以不同于单注的是，在多注PPM聚焦系统中铁制加载头对横向磁场不再有抑制作用，反而使横向磁场增加。

4 电子通道孔布局对横向磁场的影响

从以上分析知道，铁制加载头的边缘是产生横向磁场的主要因素之一。如果控制外层通道孔中心所在的半径r，那么横向磁场是会产生变化的。对图1所示的PPM聚焦系统进行模拟，所得结果如图9所示。

从图9可以看到随着r的增加，无论边注1还是边注2互作用空间的横向磁场会有明显的增强，而通道孔处横向磁场变化相对不明显。这再次证明了上述论断：互作用空间处的横向磁场是由铁制加载头的边缘产生的。

而对于电子通道孔处的横向磁场，设图1中A点所在半径为r1，B点所在半径为r2，互作用空间的均匀磁感应强度为BZ，极靴厚度为W，则A点的磁感应强度为（BZ／W）r1，B点的磁感应强度为（BZ／W）r2，A、B2 点 的 磁 感 应 强 度 之 差 为（BZ／W）（r1－r2），r1－r2为电子通道直径，所以无论电子通道所在半径如何变化，径向2点A、B的磁感应强度之差为定值，即产生的电子通道孔处的横向磁场几乎不变。

图9 横向磁场随电子通道半径变化曲线

5 多注PPM聚焦系统横向磁场改进方法

无论单注PPM聚焦系统还是多注PPM聚焦系统，横向磁场都可以分为互作用空间横向磁场和通道孔处横向磁场，因此对于抑制横向磁场就可以从上述2个方面入手：

（1）极靴片采用双槽耦合，可以确保中心注的横向磁场为0和改善极靴片的旋转对称性。

（2）针对互作用空间处的横向磁场进行有效改善，途径如下：采用铜制加载头，减小铁制加载头的高度；尽量减小最外层电子通道孔所在半径r，让其远离铁制加载头的边缘。

在图1所示的2层电子通道的结构中，外层通道孔处的横向磁感应强度十分微弱，其与轴向磁感应强度的比值约为0.25%，可以不予考虑；如果电子通道多于2层，最外层通道由于内部多层通道孔的影响，电子通道孔处的横向磁场会略有增加，在磁钢剩磁不变的情况下可以稍微增加极靴片的厚度来改善通道孔处的横向磁场。

按照上述方法设计的多注PPM聚焦系统的横向与轴向磁感应强度的比值为0.6%，远远低于一般要求的2%，其静态通过率可以达到100%；实测采用5A电流发射，收集极接收到电流4.9A，实测通过率为98%。

6 结束语

PPM聚焦系统中的横向磁场是影响微波管电子通过率的重要原因之一。目前对多注PPM聚焦系统的设计一般采用单注结构的设计方法，而最终的结果通常是边注设计未达到预期目标，特别是在频段更高、注数更多的结构中。本文针对多注PPM聚焦系统的特点，详细地分析了各部分横向磁场的产生原因和一些敏感参数对横向磁场的影响。针对各部分横向磁场的产生原因，找到了可以改善横向磁场的有效方法，此方法不但适用于多注而且对单注也行之有效。利用此方法设计的多注PPM聚焦系统的横向与轴向磁感应强度的比值可以达到0.6%，实测静态电子通过率可达98%。

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