一种宽带大功率多注速调管的研制

王远鹏,郝延刚,吴亚男

(1.海装驻南京地区第二军代室,南京210007;2.北京真空电子技术研究所,北京 100015)

0 引 言

宽带大功率多注速调管具有宽带宽和大功率特点,是搜索、制导、测控等雷达发射机理想的功率源。俄罗斯ISTOK和Toriy是国外多注速调管主要生产单位,其典型产品的工作频率覆盖整个微波波段,百千瓦级多注速调管仍以电磁聚焦产品为主[1]。近年来,国内已研发出多个系列多注速调管产品[2-4],脉冲输出功率30 kW～3 MW,最大相对带宽达到11%。本文介绍一种新型宽带大功率多注速调管,其工作带宽达342 MHz,脉冲输出功率大于120 kW,增益大于43 dB,效率大于30%,寿命超过2 000 h,达到国内先进水平。

1 研究目标

大功率多注速调管主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

2 关键技术设计

为了实现产品研究目标,速调管采用阴调多注电子枪、反转永磁聚焦、TM110基模多注谐振腔、大功率盒形输能窗、双层液冷收集极等关键技术。

2.1 阴调多注电子枪技术

电子枪是多注速调管最关键的部件之一,用于产生和形成一定形状的电子注,并将电源能量转换为电子注动能,实现对电子注的控制。阴极发射电流密度是影响速调管寿命指标的主要因素之一。通常大功率多注速调管的阴极发射电流密度达15～30 A/cm2,但过高的阴极发射密度会降低速调管的寿命。为了实现2 000 h的寿命指标,参照类似成熟产品,将速调管的阴极发射密度设计为12 A/cm2。较低的发射电流密度有利于提升速调管的寿命以及大工作比下工作的可靠性。该产品采用阴调多注电子枪技术,电子注数目为19注,电子枪整体结构如图1所示。

图1 阴调多注电子枪结构

根据要求确定电子枪阴极尺寸、导流系数、极间距离等重要参数。仿真设计确定各电极形状,得到满足参数要求且层流性良好的电子注,提高整管电子注通过率。图2为单个电子注的二维模拟计算结果。该电子枪具有良好的层流性和足够远的射程,可以实现良好的电子注流通率,满足本项目的使用要求。电子枪设计参数如表2所示。

图2 电子注轨迹模拟结果

表2 电子枪设计参数

2.2 反转永磁聚焦技术

速调管要在高频通道内维持高质量的电子注,必须设计合理的磁聚焦系统。聚焦系统中磁场的大小以及聚焦磁场与电子注的匹配性能是决定整管流通的关键因素,同时也是速调管能否得到高效率的重要因素。本产品采用反转永磁聚焦技术,采用3个周期、两次反转的周期永磁结构。建立如图3所示的三维磁场仿真模型,根据设计输入要求的聚焦系统结构尺寸和聚焦磁感应强度进行静磁场设计优化。图4为仿真得到的各电子注通道轴向磁感应强度。仿真结果表明:电子枪区磁场小于20 Gs,均匀区磁场强度为1 000 Gs,满足聚焦设计要求。

图3 反转永磁聚集系统结构

图4 轴向磁场分布曲线

图5给出了电子注聚焦模拟仿真结果。电子枪和聚焦磁场匹配良好,电子注轮廓平滑,电子注波动得到了很好的控制,电子注流通率达到100%,达到设计指标要求。

图5 电子注聚焦模拟结果

2.3 TM110基模多注谐振腔设计

高频系统是速调管的核心部件,对速调管带宽、输出功率、效率等指标的实现有重要影响。本项目速调管高频系统采用TM110基模多注谐振腔,通过优化腔体特性阻抗(R/Q),使整管高频性能最佳化。仿真优化后得到的腔体R/Q为560 Ω,优化后谐振腔尺寸为31 mm×30 mm×10 mm,间隙尺寸为3.8 mm。图6为TM110模式谐振腔电磁场分布仿真结果。

图7给出了大信号计算的电子注群聚相位、谐波电流增长和电子速度变化计算结果,高频互作用状态良好,电子注群聚较佳,谐波电流小,满足设计要求。图8为速调管增益带宽特性的大信号仿真结果,可以看出输出带宽已达350 MHz。在设计上已实现本速调管效率、输出功率、增益的指标要求。

图7 大信号计算结果

图8 大信号增益带宽计算结果

2.4 大功率盒形输能窗技术

速调管要求全频带脉冲输出功率达到120 kW,工作比为5.3%,输出窗(结构如图9所示)需承受的平均功率为6.36 kW,考虑功率波动平均功率最高可达8 kW。氧化铍陶瓷的优点是介电常数低、热导率高,适用于高平均功率速调管。为此,速调管选用具有大功率容量的氧化铍盒形输能窗,并进行液冷。

图9 输出窗结构

对输出窗的传输特性进行仿真,仿真结果表明,在规定频率范围内,驻波比均在1.1以下,满足速调管使用要求。

2.5 双层液冷收集极技术

按照总体设计,速调管电子注电压16.5 kV、电子注电流24 A、工作比5.3 %,收集极承受的最大脉冲功率396 kW、平均功率21 kW。采用沟槽型双层水冷却的收集极,入口处为漏斗状,底部为锥状,以防止二次电子和反射电子逸出收集极。图10、图11为仿真得到的收集极区电子轨迹及功率密度分布,速调管收集极功率密度最大值约为259 W/cm2,计算得到的内表面平均功率密度为64 W/cm2,均远低于双层液冷收集极500 W/cm2工程设计标准。

图10 收集极电子轨迹发散情况

图11 收集极内壁功率密度分布计算结果

3 测试结果

目前,已研制出宽带大功率多注速调管如图12所示,外形尺寸不大于694.8 mm×197 mm×224 mm,重量≤36 kg。

图12 样管图片

图13、14分别为脉冲输出功率、收集极电流和高频包络实际测试结果。当阴极电压为-16.2 kV、阴极电流为22.6 A时,速调管带宽达到342 Hz,脉冲输出功率≥120 kW,增益≥43 dB,效率≥30%,符合技术指标要求,输出高频包络检波波形清晰,速调管累计使用时间超过2 000 h。

图13 脉冲输出功率测试结果曲线

图14 收集极电流和高频包络波形

4 结束语

采用阴调多注电子枪、反转周期永磁聚焦、TM110基模多注谐振腔等技术,成功研制出一种宽带大功率多注速调管,其实测工作带宽达到342 MHz,脉冲输出功率大于120 kW,增益大于43 dB,效率大于30%,寿命超过2 000 h,主要技术指标均达到研制目标要求,并已实现应用。该产品进一步提升了百千瓦量级宽带多注速调管的技术水平,为今后研制更大功率、更宽带宽速调管器件提供了技术基础。