一体化电磁聚焦系统加载技术的研究*

刘宇荣,刘国钢,刘 斌,刘荣荣,胥 辉,陈 凯,周 锋,王大明

(南京三乐集团有限公司,南京 211800)

一体化电磁聚焦系统加载技术的研究*

刘宇荣*,刘国钢,刘 斌,刘荣荣,胥 辉,陈 凯,周 锋,王大明

(南京三乐集团有限公司,南京 211800)

为了提高行波管用电磁聚焦系统的效率,在一体化电磁聚焦系统的无加载设计基础上,进行了加载技术的研究,通过使用CST软件和MTSS软件进行仿真设计,然后进行装管验证。研究结果表明:对某X波段大功率耦合腔行波管的一体化电磁聚焦系统进行加载后,可实现对电磁聚焦磁场的局部调节,且基本不影响相临区域的磁场,在获得相同磁场强度的条件下,线包的耗散功率降低了3%左右。因此,对一体化电磁聚焦系统进行加载技术的研究有较好的实际意义。

行波管;一体化电磁聚焦系统;效率;加载。

行波管具有高效、宽带以及高增益的特性,在微波、毫米波以及太赫兹波段都具有非常重要的应用[1-3],广泛应用于警戒雷达、火控雷达、搜索雷达等大功率的场合[4-5]。行波管常用的聚焦方式有两种,即永磁聚焦和电磁聚焦。相比永磁聚焦系统,电磁聚焦系统需要外加电源和一套附加的冷却系统,但却具有磁场强度和场形分布易于调节、杂散场小、在大工作空间内可获得高场强等优点。通常在大功率行波管、速调管以及回旋管上,电磁聚焦仍被普遍采用[6]。根据电子注的运动特点,聚焦区磁场强度的分布有所不同,尤其为了保证高频散焦后的电子注流通率,需增强聚焦区末端的磁场[7],相应的该部分的线包匝数会适当的增加,但是,这样势必会影响相临区域的磁场,从而影响电子注的流通率。因此,开展了电磁聚焦系统加载技术的研究。

1 加载设计

1.1 设计原理

在线包间隙加一个纯铁片,该铁片与屏蔽筒焊接在一起,通过使加载铁片磁化,形成一定量的面“磁荷”密度,而“磁荷”建立的磁场与其两侧线包产生的磁场相互叠加,这样在加载铁片的两侧形成了两个相对独立的轴向磁场,从而起到了适当隔断的作用,有利于对局部磁场进行调节。

1.2 仿真与试验

初步设计的无加载一体化电磁聚焦系统如图1所示。在线包两端加端屏(电子枪磁屏和收集极磁屏),在外部加屏蔽筒,端屏和屏蔽筒的材料都为纯铁。线包为氧化膜铝箔(厚0.1 mm,宽21 mm),采用一体式冷却结构,冷却液为45#变压器油[8]。

图1 线包分布结构示意图

在图1基础上,通过对磁场的不同部位用一厚度为2.5 mm的纯铁片(图2)进行加载设计,加载铁片中间的圆孔直径D可根据管体直径以及加载的程度予以确定,加载铁片上方的缺口用于冷却油的流通,其他两个方孔用于放置绝缘体,以防止线包端面与加载铁片之间短路,相关细节这里不再赘述。

图2 加载铁片外形图

图3 加载结构示意图

本文将第12和第11组线包之间的加载称为第1加载;第11和第10组线包之间的加载称为第2加载;第10和第9组线包之间的加载称为第3加载;第9和第8组线包之间的加载称为第4加载。上述加载情况的结构示意图如图3所示。

根据无加载条件下线包的匝数和电流值,用CST软件对上述加载结构和无加载结构进行了磁场分布仿真(仿真过程中,代号JZ0、JZ1、JZ2、JZ3、JZ4分别对应无加载、第1加载、第2加载、第3加载和第4加载这5种情况。),仿真结果如图4所示,为了便于分析图4中尾部磁场情况,这里将其尾部磁场进行局部放大(如图5所示)。

图4 加载条件下的磁场分布

图5 加载附近磁场强度图

从图4可知,4种加载情况对加载部位至电子枪磁屏端的磁场几乎没有影响,只是对加载部位至收集极磁屏端的磁场影响较大。从图5可以看出,对应的4个加载部位均出现了4个较明显的凹坑。经过分析,我们认为第2加载应该更符合实际需要,因为在第2加载条件下,能较好的对聚焦区末端磁场进行增强,实现对磁场的局部调节。

确定了使用第2加载后(计算模型如图6所示),对该条件下的磁场曲线进行拟合处理。拟合的途径有两种,一种是改变线包电流的大小,另一种是改变线包的匝数。这两种方法都可以使得加载后的磁场值与无加载条件下的磁场值基本相等,最终反映为两条磁场曲线基本重合。鉴于方便使用的原则,行波管的线包激励值应该只有一个,所以研究过程中采用改变线包匝数的方法来实现磁场曲线的拟合。

图6 第2加载计算模型

在拟合过程中,所有线包的激励电流维持17 A不变,第1至第10组线包匝数也不变,通过适当减少第11和第12组线包的匝数,最终达到了图7中JZ2_1的拟合效果,即末端磁场的最大值与未加载时基本相同。拟合结果显示第11组线包的匝数由286匝减少为276匝,第12组线包的匝数由308匝减少为288匝;相应第11组线包的电阻值由1.1 Ω减小至1.0 Ω,第12组线包的电阻值由1.2 Ω减小至1.1 Ω(本试验电阻值采用数字三用表在室温条件下进行测量)。

图7 拟合效果图

根据第2加载条件下的拟合结果,采用MTSS软件对拟合后的JZ2_1磁场条件下的电子注流通情况进行仿真(如图8所示),仿真结果表明加载后的磁场可以保证动态电子注有较好的流通率。

图8 加载后电子注动态流通情况

2 结果与分析

本研究采用我厂BM-XXX行波管(管号为1610007#)对一体化电磁聚焦系统无加载和第2加载(加载结构见图9)的情况进行了对比试验,试验的前提条件是试验管所有加电参数(其中线包加电以电流为标准)和冷却环境条件一致,进行全频带(X波段,900 MHz带宽)的满工作比(D=30%,Ikp=5.1 A)测试。相关测试数据如表1和表2所示。

图9 加载结构

f/GHzf1f2f3f4f5f6f7f8f9f10Pop/kW23.824.626.425.425.025.825.825.924.624.0Ib/mA60565652545353555861

表2 第2加载测试数据(Isol=17 A,Usol=211 V)

对比1610007#管的上述测试结果如表3所示。从表3可以看出:实施加载后,线包耗散功率降低了100 W,相比无加载情况,线包的耗散功率降低了约3%,而理论计算线包耗散功率应降低ΔPsol=I2×ΔR=17×17×(0.1+0.1)=57.8 W,显然,实测耗散功率的减小值大于理论计算值。经分析认为:这主要由两方面原因引起的,一方面是铝箔的电阻率会随着温度的升高而增大,另一方面是数字三用表本身存在精度误差。此外,表3说明对电磁聚焦系统进行加载基本不影响整管的电子注流通率和功率输出。

表3 有无加载条件下的测试结果分析

3 结论

通过对上述加载方法的研究,可以得出以下结论:

(1)对电磁聚焦系统进行加载,有利于实现对磁场的局部调节,且基本不影响相临区域的磁场;

(2)对电磁聚焦系统进行加载,可以提高电磁聚焦系统的效率,节约能源;

(3)使用CST软件和MTSS软件对本文所述电磁聚焦系统加载方式进行优化设计的结果与试验结果基本符合,验证了设计方法的正确性。

[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] 蔡军,邬显平,冯进军,等. 太赫兹行波管级联倍频器[J]. 太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(5):678-683.

[4] 戴春华. 某雷达大功率脉冲行波管可靠性研究[J]. 船舶电子对抗,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] 电子管设计手册编辑委员会. 微波电子管磁路设计手册[M]. 北京:国防工业出版社,1984:274-329.

[7] 电子管设计手册编辑委员会. 中小功率行波管设计手册[M]. 北京:常州人民广播电台印刷厂,1977:233-235.

[8] 刘宇荣,刘荣荣,刘斌,等. X波段平均功率6 kW行波管的研制[J]. 真空电子技术,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

项目来源:国家专项基金项目

2017-04-21修改日期2017-06-02

TN124

A

1005-9490(2017)06-1368-04

刘宇荣(1978-),男,汉族,陕西临潼人,高级工程师,研究方向为物理电子学,23295119@qq.com;

刘国钢(1988-),男,汉族,安徽池州人,工程师,研究方向为大功率脉冲行波管,729627362@qq.com。