CN104157536A - 非轴对称双斜面的多级降压收集极电极 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极。在该多级降压收集极电极中，多个电极的内表面均包括一段由正斜面和负斜面组成的波纹结构，且除第一电极和最末电极外的其他电极的电子入口方向均有一个偏心孔，该偏心孔相对于第一电极的电子入口偏向同一个方向，其相比于传统的收集极结构，可以抑制二次电子回流并提高收集极效率，降低回流率。

Description

非轴对称双斜面的多级降压收集极电极

技术领域

本发明涉及电子行业真空电子学技术领域，尤其涉及一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极。

背景技术

空间行波管是广泛应用于通信卫星、侦察卫星、导航卫星、资源卫星、气象卫星、海洋卫星等末级功率放大器的核心部件。几乎每一颗卫星上都有数量不等、种类不同的空间行波管放大器。卫星上的能源主要来自太阳能电池，因此非常有限，而其中80％-90％的能源都用于行波管放大器。因此，空间行波管必须具有尽可能高的效率以节省星上能源。

行波管效率主要取决于电子效率和收集极回收效率。电子效率到达一定限度后，很难再进一步提高，此时效率的提高主要取决于收集极的回收效率。在互作用结构确定后，收集极的回收效率主要由收集极结构决定。二次电子的存在对多级降压收集极效率和电子回流率有直接影响，二次电子在打到高电位电极的过程中获得能量会降低收集极效率。因而，设计巧妙的收集极结构，使所有电子最大限度的“软着陆”，同时使二次电子尽量被产生该二次电子的电极俘获，并且避免二次电子打上电位较高电极和返回互作用区。

降压收集极结构的设计是在互作用区后面设置一定的静电场和静磁场分布，使互作用后电子运动速度变慢，落到对其来说电位最低的电极上，并避免电子返转。在多级降压收集极的发展历程中，人们对收集极的结构与形式做了各种尝试，但通常收集极电极结构都是在电极内表面包含一个向电子入口方向倾斜的正斜面，等势线在这种结构的收集极电极入口处是向电子入射方向凹入的。电子进入电极后要经历一个发散作用，电子很快散开并被相应的电极收集。这种结构带来的一个问题是，电子向两边散开容易被电势较高的电极收集，降低了收集极的效率。2012年印度A.MercyLatha提出了一种新颖结构的收集极，收集极电极内表面均包括一段由正斜面和负斜面组成的波纹结构，等势线在这种结构的收集极电极入口处先向电子入射方向凹入，再向收集极尾端凸起，电子进入电极后先经历一个发散作用，再经历一个汇聚作用。对于原电子来说，电子发散作用较弱，更容易被电势较低电极收集，提高了回收效率；对于二次电子来说，二次电子容易被产生该电子的电极俘获，收集极的回流率很低。

采用非对称结构收集极，可以对电子注运动轨迹产生明显的偏转效果，达到抑制二次电子返流，提高回收效率降低回流率的效果，如图1所示。

对于低导流系数的行波管，采用上述双斜面收集极电极，可以获得较高的回收效率和较低的回流率，但对于高导流系数的行波管来说，进入收集极的电子由于空间电荷效应较大，电子注很快散开被电势较高的电极收集，回收效率较低。目前，行波管的回收效率较低，返流电子较多，特别是高导流系数的行波管回收效率更低，因而，设计高效的多级降压收集极，进一步提高回收效率、降低回流率是目前亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明将非对称结构引入到双斜面的多级降压收集极电极结构中，提供了一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极。

(二)技术方案

本发明的非轴对称双斜面的多级降压收集极电极包括：N级的电极以及连接于最末一级电极尾端的尾盖，其中，N≥3；该N级的电极相互绝缘，且电压依次降低，用于收集行波互作用后的电子注，每一级的电极均为中空的筒状腔体，自前至后包括：通道口，以及由负斜面和正斜面构成的波纹结构；其中，第一级和最末一级的电极的通道口的中心轴线沿入射电子注的轴向，除第一级和最末一级外的中间电极的通道口的中心轴线位置重合，低于入射电子注的轴向。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明非轴对称双斜面的多级降压收集极电极具有以下有益效果：

(1)多个电极的内表面均包括一段由正斜面和负斜面组成的波纹结构，第一级和最末一级的电极的通道口的中心轴线沿入射电子注的轴向，除第一电极和最末电极外的其他电极的电子入口方向均有一个偏心的通道口，该通道口的中心轴线低于入射电子注的中心轴线，其相比于传统的收集极结构，可以抑制二次电子回流并提高收集极效率，降低回流率；

(2)收集极电极结构简单，方便加工。

附图说明

图1为电子被现有技术非对称结构收集极回收电子轨迹图；

图2为根据本发明实施例非轴对称双斜面多级降压收集极电极的剖面示意图；

图3为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第一电极的侧视图；

图4为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第二电极的仰视图；

图5为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第三电极的仰视图；

图6为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第四电极的侧视图；

图7为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极尾盖的俯视图；

图8为饱和工作状态下非轴对称双斜面的多级降压收集极考虑四次二次电子发射计算结果；

图9为无驱动信号下非轴对称双斜面的多级降压收集极计算结果；

图10为非轴对称双斜面的多级降压收集极频带内的回收效率和回流率计算结果；

图11为非轴对称双斜面的多级降压收集极回收效率和回流率随输入功率的变化。

【本发明主要元件符号说明】

10-第一电极；

     11-第一电极通道口；    12-第一电极负斜面；

     13-第一电极正斜面；    14-第一电极后端部分；

20-第二电极；

     21-第二电极通道口；    22-第二电极负斜面；

     23-第二电极正斜面；    24-第二电极后端部分；

30-第三电极；

     31-第三电极通道口；    32-第三电极负斜面；

     33-第三电极正斜面；

40-第四电极；

     41-第四电极前端部分；    42-第四电极负斜面；

     43-第四电极正斜面；      44-焊接凹槽；

50-尾盖；

     51-锥形段；              52-斜面；

     53-圆形台阶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提出了一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极，以提高收集极的回收效率，降低二次电子回流率，从而使得行波管整管具有更高的效率。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极。图2为根据本发明实施例非轴对称双斜面的多级降压收集极电极的剖面示意图。请参照图2，本实施例非轴对称双斜面的多级降压收集极电极包括：与互作用电子注的中心轴线同轴的第一电极10、第二电极20、第三电极30、第四电极40和尾盖50形成四级降压收集极电极，依次降压用于收集行波管互作用后的电子注。第一电极的位置靠近行波管的慢波结构，紧随第一电极后依次设置第二电极、第三电极、第四电极和尾盖。该第一电极、第二电极、第三电极和第四电极相互之间有一定的间隔，用于放置收集极介质材料。该第四电极和尾盖四电位相同，焊接在一起。

图3为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第一电极的侧视图，请参照图2和图3，第一电极10为中空的筒状腔体，该第一电极10靠近行波管慢波结构的轴向端面中心轴线位置(入射电子注的轴向)设有供互作用后电子注通过的第一电极通道口11，该通道口的口径大于互作用后电子注孔径；该第一电极10在第一电极通道口11后内表面包括一段由负斜面12和正斜面13组成的波纹结构；第一电极后端部分14为空心柱体，口径比纹波结构的最大口径略小。

图4为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第二电极的仰视图，请参照图2和图4，第二电极20为中空的筒状腔体，该第二电极的前端部分轴向端面偏离中心轴线向下位置设有供电子束通过的第二电极通道口21，使进入第二电极的电子注整体向第二电极通道口21中心轴线的一侧偏离，在第二电极的内表面产生的二次电子将向第二电极通道口21中心轴线的另一侧偏离，这样产生的二次电子不会沿原路径返回，使得二次电子的回流率得到降低。二次电子该第二电极通道口21的口径大于第一电极通道口11口径，小于第一电极后端部分14的孔径；该第二电极20在第二电极通道口21后内表面包括一段由负斜面22和正斜面23组成的波纹结构。第二电极后端部分24的为空心柱体，口径比纹波结构的最大口径略小。

图5为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第三电极的仰视图，请参照图2和图5，第三电极30为中空的筒状腔体，该第三电极的前端部分轴向端面偏离中心轴线向下位置设有供电子束通过的第三电极通道口31，第三电极通道口31中心轴线与第二电极通道口21中心轴线位置重合，该第三电极通道口31的口径大于第二电极通道口21口径，小于第二电极后端部分24的孔径；该第二电极30在第三电极通道口31后内表面包括一段由负斜面32和正斜面33组成的波纹结构。

图6为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极第四电极的侧视图，请参照图2和图6，第四电极40为中空的筒状腔体，该第四电极40包括第四电极前端部分41和由第四电极负斜面42和第四电极正斜面43构成的波纹结构，该第四电极前端部分41伸入第三电极的筒状腔体内，其轴向端面中心轴线位置设有供电子束通过的通道口，该通道口径略大于第三电极通道口31直径。第四电极正斜面43尾端设有与该收集极中的相关部件相匹配的焊接凹槽44。

图7为图2所示非轴对称双斜面多级降压收集极尾盖的俯视图，请参照图2和图7，尾盖50呈圆盖状结构，沿其中心轴线有一锥形段51，锥形段51四周外为一斜面52，该尾盖50的外沿有圆形台阶53，圆形台阶53与焊接凹槽44配合焊接在一起，使第四电极与尾盖同一电位。

图8为饱和工作状态下非轴对称双斜面的多级降压收集极考虑四次二次电子发射计算结果。图9为无驱动信号下非轴对称双斜面的多级降压收集极计算结果。请参照图8和图9，饱和工作状态下，电子大部分被第一电极、第二电极和第三电极收集。无驱动信号下，电子几乎被第四电极和尾盖收集。考虑四次二次电子发射，收集极的回流率仅有微小的增加，回收效率有小幅度下降，该收集极的结构设计可以明显阻止二次电子向互作用区回流。

图10为非轴对称双斜面的多级降压收集极频带内的回收效率和回流率计算结果。图11为非轴对称双斜面的多级降压收集极回收效率和回流率随输入功率的变化。请参照图10和图11，在工作频带内的收集极效率大于80.3％，回流率小于1％。中间频点12.5GHz时，回收效率为80.7％，若考虑线路损耗等，总效率可达66.4％，能够满足空间行波管的要求。行波管工作在过饱和区时，回收效率降低，回流率增加；行波管工作在线性状态时，回收效率提高，回流率降低；无论行波管工作在何种状态，回收效率均大于80.2％，回流率小于1.6％。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明非轴对称双斜面的多级降压收集极电极有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)多级降压收集极电极可以根据需要包括多级的电极结构，而不局限于上述实施例中的四级电极结构。例如：三级、五级、六级等等。

综上所述，本发明同现有技术中多级降压收集极结构相比，可以抑制二次电子回流并提高收集极效率，从而使得行波管具有更高的效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非轴对称双斜面的多级降压收集极电极，其特征在于，包括：N级的电极以及连接于最末一级电极尾端的尾盖，其中，N≥3；

该N级的电极相互绝缘，且电压依次降低，用于收集注波互作用后的电子注，每一级的电极均为中空的筒状腔体，自前至后包括：通道口，以及由负斜面和正斜面构成的波纹结构；

其中，第一级和最末一级的电极的通道口的中心轴线沿入射电子注的轴向，除第一级和最末一级外的中间电极的通道口的中心轴线位置重合，低于入射电子注的轴向。

2.根据权利要求1所述的多级降压收集极电极，其特征在于，第一级电极的通道口的口径大于互作用后电子注的孔径，且自前至后，电极的通道口的口径逐级增大。

3.根据权利要求1所述的多级降压收集极电极，其特征在于，相邻两电极之间具有间隔，用于放置收集极介质材料，最末一级电极与尾盖焊接在一起，两者电位相同。

4.根据权利要求1所述的多级降压收集极电极，其特征在于，除最末一级的其他电极还包括：

空心柱体，其口径小于所在电极的波纹结构的最大口径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多级降压收集极电极，其特征在于，所述N＝4、5或6。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的多级降压收集极电极，其特征在于，最末一级的电极的波纹结构中正斜面的尾端设有焊接凹槽；

所述尾盖呈圆盖状结构，其外沿有圆形台阶，该圆形台阶与所述焊接凹槽配合焊接在一起，使最末一级的电极与尾盖同一电位。

7.根据权利要求6所述的多级降压收集极电极，其特征在于，所述尾盖沿其中心轴线有一锥形段，该锥形段四周外围，圆形台阶的内侧为一斜面。