一種寬帶大功率多注速調(diào)管的研制

王遠鵬,郝延剛,吳亞男

(1.海裝駐南京地區(qū)第二軍代室,南京210007;2.北京真空電子技術(shù)研究所,北京 100015)

0 引 言

寬帶大功率多注速調(diào)管具有寬帶寬和大功率特點,是搜索、制導、測控等雷達發(fā)射機理想的功率源。俄羅斯ISTOK和Toriy是國外多注速調(diào)管主要生產(chǎn)單位,其典型產(chǎn)品的工作頻率覆蓋整個微波波段,百千瓦級多注速調(diào)管仍以電磁聚焦產(chǎn)品為主[1]。近年來,國內(nèi)已研發(fā)出多個系列多注速調(diào)管產(chǎn)品[2-4],脈沖輸出功率30 kW～3 MW,最大相對帶寬達到11%。本文介紹一種新型寬帶大功率多注速調(diào)管,其工作帶寬達342 MHz,脈沖輸出功率大于120 kW,增益大于43 dB,效率大于30%,壽命超過2 000 h,達到國內(nèi)先進水平。

1 研究目標

大功率多注速調(diào)管主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標

2 關鍵技術(shù)設計

為了實現(xiàn)產(chǎn)品研究目標,速調(diào)管采用陰調(diào)多注電子槍、反轉(zhuǎn)永磁聚焦、TM110基模多注諧振腔、大功率盒形輸能窗、雙層液冷收集極等關鍵技術(shù)。

2.1 陰調(diào)多注電子槍技術(shù)

電子槍是多注速調(diào)管最關鍵的部件之一,用于產(chǎn)生和形成一定形狀的電子注,并將電源能量轉(zhuǎn)換為電子注動能,實現(xiàn)對電子注的控制。陰極發(fā)射電流密度是影響速調(diào)管壽命指標的主要因素之一。通常大功率多注速調(diào)管的陰極發(fā)射電流密度達15～30 A/cm2,但過高的陰極發(fā)射密度會降低速調(diào)管的壽命。為了實現(xiàn)2 000 h的壽命指標,參照類似成熟產(chǎn)品,將速調(diào)管的陰極發(fā)射密度設計為12 A/cm2。較低的發(fā)射電流密度有利于提升速調(diào)管的壽命以及大工作比下工作的可靠性。該產(chǎn)品采用陰調(diào)多注電子槍技術(shù),電子注數(shù)目為19注,電子槍整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陰調(diào)多注電子槍結(jié)構(gòu)

根據(jù)要求確定電子槍陰極尺寸、導流系數(shù)、極間距離等重要參數(shù)。仿真設計確定各電極形狀,得到滿足參數(shù)要求且層流性良好的電子注,提高整管電子注通過率。圖2為單個電子注的二維模擬計算結(jié)果。該電子槍具有良好的層流性和足夠遠的射程,可以實現(xiàn)良好的電子注流通率,滿足本項目的使用要求。電子槍設計參數(shù)如表2所示。

圖2 電子注軌跡模擬結(jié)果

表2 電子槍設計參數(shù)

2.2 反轉(zhuǎn)永磁聚焦技術(shù)

速調(diào)管要在高頻通道內(nèi)維持高質(zhì)量的電子注,必須設計合理的磁聚焦系統(tǒng)。聚焦系統(tǒng)中磁場的大小以及聚焦磁場與電子注的匹配性能是決定整管流通的關鍵因素,同時也是速調(diào)管能否得到高效率的重要因素。本產(chǎn)品采用反轉(zhuǎn)永磁聚焦技術(shù),采用3個周期、兩次反轉(zhuǎn)的周期永磁結(jié)構(gòu)。建立如圖3所示的三維磁場仿真模型,根據(jù)設計輸入要求的聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和聚焦磁感應強度進行靜磁場設計優(yōu)化。圖4為仿真得到的各電子注通道軸向磁感應強度。仿真結(jié)果表明:電子槍區(qū)磁場小于20 Gs,均勻區(qū)磁場強度為1 000 Gs,滿足聚焦設計要求。

圖3 反轉(zhuǎn)永磁聚集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 軸向磁場分布曲線

圖5給出了電子注聚焦模擬仿真結(jié)果。電子槍和聚焦磁場匹配良好,電子注輪廓平滑,電子注波動得到了很好的控制,電子注流通率達到100%,達到設計指標要求。

圖5 電子注聚焦模擬結(jié)果

2.3 TM110基模多注諧振腔設計

高頻系統(tǒng)是速調(diào)管的核心部件,對速調(diào)管帶寬、輸出功率、效率等指標的實現(xiàn)有重要影響。本項目速調(diào)管高頻系統(tǒng)采用TM110基模多注諧振腔,通過優(yōu)化腔體特性阻抗(R/Q),使整管高頻性能最佳化。仿真優(yōu)化后得到的腔體R/Q為560 Ω,優(yōu)化后諧振腔尺寸為31 mm×30 mm×10 mm,間隙尺寸為3.8 mm。圖6為TM110模式諧振腔電磁場分布仿真結(jié)果。

圖7給出了大信號計算的電子注群聚相位、諧波電流增長和電子速度變化計算結(jié)果,高頻互作用狀態(tài)良好,電子注群聚較佳,諧波電流小,滿足設計要求。圖8為速調(diào)管增益帶寬特性的大信號仿真結(jié)果,可以看出輸出帶寬已達350 MHz。在設計上已實現(xiàn)本速調(diào)管效率、輸出功率、增益的指標要求。

圖7 大信號計算結(jié)果

圖8 大信號增益帶寬計算結(jié)果

2.4 大功率盒形輸能窗技術(shù)

速調(diào)管要求全頻帶脈沖輸出功率達到120 kW,工作比為5.3%,輸出窗(結(jié)構(gòu)如圖9所示)需承受的平均功率為6.36 kW,考慮功率波動平均功率最高可達8 kW。氧化鈹陶瓷的優(yōu)點是介電常數(shù)低、熱導率高,適用于高平均功率速調(diào)管。為此,速調(diào)管選用具有大功率容量的氧化鈹盒形輸能窗,并進行液冷。

圖9 輸出窗結(jié)構(gòu)

對輸出窗的傳輸特性進行仿真,仿真結(jié)果表明,在規(guī)定頻率范圍內(nèi),駐波比均在1.1以下,滿足速調(diào)管使用要求。

2.5 雙層液冷收集極技術(shù)

按照總體設計,速調(diào)管電子注電壓16.5 kV、電子注電流24 A、工作比5.3 %,收集極承受的最大脈沖功率396 kW、平均功率21 kW。采用溝槽型雙層水冷卻的收集極,入口處為漏斗狀,底部為錐狀,以防止二次電子和反射電子逸出收集極。圖10、圖11為仿真得到的收集極區(qū)電子軌跡及功率密度分布,速調(diào)管收集極功率密度最大值約為259 W/cm2,計算得到的內(nèi)表面平均功率密度為64 W/cm2,均遠低于雙層液冷收集極500 W/cm2工程設計標準。

圖10 收集極電子軌跡發(fā)散情況

圖11 收集極內(nèi)壁功率密度分布計算結(jié)果

3 測試結(jié)果

目前,已研制出寬帶大功率多注速調(diào)管如圖12所示,外形尺寸不大于694.8 mm×197 mm×224 mm,重量≤36 kg。

圖12 樣管圖片

圖13、14分別為脈沖輸出功率、收集極電流和高頻包絡實際測試結(jié)果。當陰極電壓為-16.2 kV、陰極電流為22.6 A時,速調(diào)管帶寬達到342 Hz,脈沖輸出功率≥120 kW,增益≥43 dB,效率≥30%,符合技術(shù)指標要求,輸出高頻包絡檢波波形清晰,速調(diào)管累計使用時間超過2 000 h。

圖13 脈沖輸出功率測試結(jié)果曲線

圖14 收集極電流和高頻包絡波形

4 結(jié)束語

采用陰調(diào)多注電子槍、反轉(zhuǎn)周期永磁聚焦、TM110基模多注諧振腔等技術(shù),成功研制出一種寬帶大功率多注速調(diào)管,其實測工作帶寬達到342 MHz,脈沖輸出功率大于120 kW,增益大于43 dB,效率大于30%,壽命超過2 000 h,主要技術(shù)指標均達到研制目標要求,并已實現(xiàn)應用。該產(chǎn)品進一步提升了百千瓦量級寬帶多注速調(diào)管的技術(shù)水平,為今后研制更大功率、更寬帶寬速調(diào)管器件提供了技術(shù)基礎。