一體化電磁聚焦系統加載技術的研究*

劉宇榮,劉國鋼,劉 斌,劉榮榮,胥 輝,陳 凱,周 鋒,王大明

(南京三樂集團有限公司,南京 211800)

一體化電磁聚焦系統加載技術的研究*

劉宇榮*,劉國鋼,劉 斌,劉榮榮,胥 輝,陳 凱,周 鋒,王大明

(南京三樂集團有限公司,南京 211800)

為了提高行波管用電磁聚焦系統的效率,在一體化電磁聚焦系統的無加載設計基礎上,進行了加載技術的研究,通過使用CST軟件和MTSS軟件進行仿真設計,然后進行裝管驗證。研究結果表明:對某X波段大功率耦合腔行波管的一體化電磁聚焦系統進行加載后,可實現對電磁聚焦磁場的局部調節,且基本不影響相臨區域的磁場,在獲得相同磁場強度的條件下,線包的耗散功率降低了3%左右。因此,對一體化電磁聚焦系統進行加載技術的研究有較好的實際意義。

行波管;一體化電磁聚焦系統;效率;加載。

行波管具有高效、寬帶以及高增益的特性,在微波、毫米波以及太赫茲波段都具有非常重要的應用[1-3],廣泛應用于警戒雷達、火控雷達、搜索雷達等大功率的場合[4-5]。行波管常用的聚焦方式有兩種,即永磁聚焦和電磁聚焦。相比永磁聚焦系統,電磁聚焦系統需要外加電源和一套附加的冷卻系統,但卻具有磁場強度和場形分布易于調節、雜散場小、在大工作空間內可獲得高場強等優點。通常在大功率行波管、速調管以及回旋管上,電磁聚焦仍被普遍采用[6]。根據電子注的運動特點,聚焦區磁場強度的分布有所不同,尤其為了保證高頻散焦后的電子注流通率,需增強聚焦區末端的磁場[7],相應的該部分的線包匝數會適當的增加,但是,這樣勢必會影響相臨區域的磁場,從而影響電子注的流通率。因此,開展了電磁聚焦系統加載技術的研究。

1 加載設計

1.1 設計原理

在線包間隙加一個純鐵片,該鐵片與屏蔽筒焊接在一起,通過使加載鐵片磁化,形成一定量的面“磁荷”密度,而“磁荷”建立的磁場與其兩側線包產生的磁場相互疊加,這樣在加載鐵片的兩側形成了兩個相對獨立的軸向磁場,從而起到了適當隔斷的作用,有利于對局部磁場進行調節。

1.2 仿真與試驗

初步設計的無加載一體化電磁聚焦系統如圖1所示。在線包兩端加端屏(電子槍磁屏和收集極磁屏),在外部加屏蔽筒,端屏和屏蔽筒的材料都為純鐵。線包為氧化膜鋁箔(厚0.1 mm,寬21 mm),采用一體式冷卻結構,冷卻液為45#變壓器油[8]。

圖1 線包分布結構示意圖

在圖1基礎上,通過對磁場的不同部位用一厚度為2.5 mm的純鐵片(圖2)進行加載設計,加載鐵片中間的圓孔直徑D可根據管體直徑以及加載的程度予以確定,加載鐵片上方的缺口用于冷卻油的流通,其他兩個方孔用于放置絕緣體,以防止線包端面與加載鐵片之間短路,相關細節這里不再贅述。

圖2 加載鐵片外形圖

圖3 加載結構示意圖

本文將第12和第11組線包之間的加載稱為第1加載;第11和第10組線包之間的加載稱為第2加載;第10和第9組線包之間的加載稱為第3加載;第9和第8組線包之間的加載稱為第4加載。上述加載情況的結構示意圖如圖3所示。

根據無加載條件下線包的匝數和電流值,用CST軟件對上述加載結構和無加載結構進行了磁場分布仿真(仿真過程中,代號JZ0、JZ1、JZ2、JZ3、JZ4分別對應無加載、第1加載、第2加載、第3加載和第4加載這5種情況。),仿真結果如圖4所示,為了便于分析圖4中尾部磁場情況,這里將其尾部磁場進行局部放大(如圖5所示)。

圖4 加載條件下的磁場分布

圖5 加載附近磁場強度圖

從圖4可知,4種加載情況對加載部位至電子槍磁屏端的磁場幾乎沒有影響,只是對加載部位至收集極磁屏端的磁場影響較大。從圖5可以看出,對應的4個加載部位均出現了4個較明顯的凹坑。經過分析,我們認為第2加載應該更符合實際需要,因為在第2加載條件下,能較好的對聚焦區末端磁場進行增強,實現對磁場的局部調節。

確定了使用第2加載后(計算模型如圖6所示),對該條件下的磁場曲線進行擬合處理。擬合的途徑有兩種,一種是改變線包電流的大小,另一種是改變線包的匝數。這兩種方法都可以使得加載后的磁場值與無加載條件下的磁場值基本相等,最終反映為兩條磁場曲線基本重合。鑒于方便使用的原則,行波管的線包激勵值應該只有一個,所以研究過程中采用改變線包匝數的方法來實現磁場曲線的擬合。

圖6 第2加載計算模型

在擬合過程中,所有線包的激勵電流維持17 A不變,第1至第10組線包匝數也不變,通過適當減少第11和第12組線包的匝數,最終達到了圖7中JZ2_1的擬合效果,即末端磁場的最大值與未加載時基本相同。擬合結果顯示第11組線包的匝數由286匝減少為276匝,第12組線包的匝數由308匝減少為288匝;相應第11組線包的電阻值由1.1 Ω減小至1.0 Ω,第12組線包的電阻值由1.2 Ω減小至1.1 Ω(本試驗電阻值采用數字三用表在室溫條件下進行測量)。

圖7 擬合效果圖

根據第2加載條件下的擬合結果,采用MTSS軟件對擬合后的JZ2_1磁場條件下的電子注流通情況進行仿真(如圖8所示),仿真結果表明加載后的磁場可以保證動態電子注有較好的流通率。

圖8 加載后電子注動態流通情況

2 結果與分析

本研究采用我廠BM-XXX行波管(管號為1610007#)對一體化電磁聚焦系統無加載和第2加載(加載結構見圖9)的情況進行了對比試驗,試驗的前提條件是試驗管所有加電參數(其中線包加電以電流為標準)和冷卻環境條件一致,進行全頻帶(X波段,900 MHz帶寬)的滿工作比(D=30%,Ikp=5.1 A)測試。相關測試數據如表1和表2所示。

圖9 加載結構

f/GHzf1f2f3f4f5f6f7f8f9f10Pop/kW23.824.626.425.425.025.825.825.924.624.0Ib/mA60565652545353555861

表2 第2加載測試數據(Isol=17 A,Usol=211 V)

對比1610007#管的上述測試結果如表3所示。從表3可以看出:實施加載后,線包耗散功率降低了100 W,相比無加載情況,線包的耗散功率降低了約3%,而理論計算線包耗散功率應降低ΔPsol=I2×ΔR=17×17×(0.1+0.1)=57.8 W,顯然,實測耗散功率的減小值大于理論計算值。經分析認為:這主要由兩方面原因引起的,一方面是鋁箔的電阻率會隨著溫度的升高而增大,另一方面是數字三用表本身存在精度誤差。此外,表3說明對電磁聚焦系統進行加載基本不影響整管的電子注流通率和功率輸出。

表3 有無加載條件下的測試結果分析

3 結論

通過對上述加載方法的研究,可以得出以下結論:

(1)對電磁聚焦系統進行加載,有利于實現對磁場的局部調節,且基本不影響相臨區域的磁場;

(2)對電磁聚焦系統進行加載,可以提高電磁聚焦系統的效率,節約能源;

(3)使用CST軟件和MTSS軟件對本文所述電磁聚焦系統加載方式進行優化設計的結果與試驗結果基本符合,驗證了設計方法的正確性。

[1] Sengele S,Jiang H,Booske J H,et al. Micro-Fabrication and Characterization of a Selectively Metallized W-Band Meander-Line TWT Circuit[J]. IEEE Transactions on Electron Devices,2009,56(5):730-737.

[2] Booske J H. Plasma Physics and Related Challenges of Millimeter to Terahertz and High Power Microwave Generation[J]. Physics of Plasmas,2008,15(5):459-597.

[3] 蔡軍,鄔顯平,馮進軍,等. 太赫茲行波管級聯倍頻器[J]. 太赫茲科學與電子信息學報,2013,11(5):678-683.

[4] 戴春華. 某雷達大功率脈沖行波管可靠性研究[J]. 船舶電子對抗,2015,38(6):39-47.

[5] Stambaugh J J,Lee R K,Cantrell W H. The 4 GHz Bandwidth Millimeter-Wave Radar[J]. Lincoln laboratory Journal,2012,19(2):64-76.

[6] 電子管設計手冊編輯委員會. 微波電子管磁路設計手冊[M]. 北京:國防工業出版社,1984:274-329.

[7] 電子管設計手冊編輯委員會. 中小功率行波管設計手冊[M]. 北京:常州人民廣播電臺印刷廠,1977:233-235.

[8] 劉宇榮,劉榮榮,劉斌,等. X波段平均功率6 kW行波管的研制[J]. 真空電子技術,2017(2):39-42.

AStudyofIntegratedLoadingElectro-MagneticFocusingSystem*

LIUYurong*,LIUGuogang,LIUBin,LIUrongrong,XUHui,CHENKai,ZHOUFeng,WANGDaming

(Nanjing Sanle Electronic Information Industry Group Co.,Ltd.,Nanjing 211800,China)

A loading technology for integrated electro-magnetic focusing system is presented. The loading technology can improve the efficiency of traveling wave tube(TWT)compared with no loading integrated electro-magnetic focusing system. Simulation model was built in CST and MTSS simulator and an experiment was demonstrated. The magnetic field can be adjusted at localization when using our system and the impact to nearby field can be ignored. At the same magnetic field,the losing power of electro-magnetic focusing system can be depressed to 97% compared with that of no loading system. These results imply our system is suitable for vacuum electron device.

TWT;integrated electeo-magnetic focusing system;efficiency;loading

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.008

項目來源:國家專項基金項目

2017-04-21修改日期2017-06-02

TN124

A

1005-9490(2017)06-1368-04

劉宇榮(1978-),男,漢族,陜西臨潼人,高級工程師,研究方向為物理電子學,23295119@qq.com;

劉國鋼(1988-),男,漢族,安徽池州人,工程師,研究方向為大功率脈沖行波管,729627362@qq.com。