CN104599924B - 一种多级互作用系统螺旋线行波管 - Google Patents

一种多级互作用系统螺旋线行波管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多级互作用系统螺旋线行波管，它包括螺旋线行波管，该螺旋线行波管包括电子枪、第一级螺旋线慢波系统、第一级磁聚焦系统、第一级输入装置、第一级输出装置、收集极和管壳，该第一级螺旋线慢波系统包括第一级输入螺旋线、第一级输出螺旋线；所述第一级输出装置和收集极之间的管壳上设置有至少一级互作用系统，每级互作用系统包括用于收集低能量电子的调节电极、磁聚焦系统、输出装置和一段慢波系统螺旋线；本发明提高了螺旋线行波管的电子效率，充分利用行波管直流功率，降低应用成本。

Description

一种多级互作用系统螺旋线行波管
技术领域
本发明涉及一种真空电子器件，尤其涉及一种多级互作用系统螺旋线行波管。
背景技术
螺旋线行波管已成为雷达电子对抗，卫星通信、导航、遥感等系统的重要功率放大器件；慢波系统作为行波管注-波互作用以激励放大微波信号的部件，是行波管的核心部件，其性能直接决定行波管的特性和技术指标；由于螺旋线色散特性平坦、带宽和电子效率高的优势，目前广泛应用于行波管中。
参见图1所示，为传统的螺旋线行波管，其主要由电子枪1’、输入装置2’、输出装置3’、磁聚焦系统4’、收集极5’、螺旋线慢波系统6’和管壳7’组成；电子枪1’焊接于管壳7’一端，所述电子枪1’产生直流电子注；由管壳7’靠近电子枪1’一端至远离电子枪1’一端的管壳7’上依次设置有输入装置2’、磁聚焦系统4’和输出装置3’，输入装置2’用于激励信号输入，激励信号功率通常为微瓦级，输出装置3’用于放大的电磁波信号输出，放大后的信号功率通常为瓦级以上，磁聚焦系统4’用于维持电子注的形状，保证电子注顺利通过螺旋线慢波系统；管壳7’的另一端焊接有收集极5’，收集极5’用于收集极互作用后的失能电子注；管壳7’内夹持有螺旋线慢波系统6’，该螺旋线慢波系统6’包括输入螺旋线61’、输出螺旋线62’两段，管壳7’内由靠近电子枪1’一端至远离电子枪1’一端分别夹持有输入螺旋线61’和输出螺旋线62’，在螺旋线慢波系统6’中电磁波与电子注互作用后电磁波信号由于吸收电子注能量而放大，通常螺旋线慢波系统6’中的螺旋线分为输入螺旋线61’、输出螺旋线62’两段，参见图2所示，61’为输入螺旋线，62’为输出螺旋线，输入螺旋线61’螺距均匀分布，输出螺旋线62’螺距成跳变、渐变、均匀段趋势。
电子效率是衡量行波管性能的重要指标，通常用行波管输出功率与直流功耗指标来计算，以Ku波段螺旋线行波管为例，目前其电子效率最高可以达到30％左右；由于空间应用的特殊要求使得行波管不得不提高电子效率，以节省在空间的电源功耗；据报道，行波管电子效率提高一个百分点，整个空间载荷系统能耗将明显下降，可以降低成本，经济效益高达几千万美元，因此提高行波管的电子效率就成为十分重要的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多级互作用系统螺旋线行波管，其提高了螺旋线行波管的电子效率，充分利用行波管直流功率，降低应用成本。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种多级互作用系统螺旋线行波管，它包括螺旋线行波管，该螺旋线行波管包括电子枪、第一级螺旋线慢波系统、第一级磁聚焦系统、第一级输入装置、第一级输出装置、收集极和管壳，该第一级螺旋线慢波系统包括第一级输入螺旋线、第一级输出螺旋线；
所述第一级输出装置和收集极之间的管壳上设置有至少一级互作用系统，每级互作用系统包括用于收集低能量电子的调节电极、磁聚焦系统、输出装置和一段慢波系统螺旋线；第一级输出装置后的管壳上依次设置有调节电极、磁聚焦系统和输出装置，对应该级互作用系统的磁聚焦系统和输出装置位置的管壳内夹持有一段慢波系统螺旋线，调节电极既具有电子能量筛选能力，又具有调节下一级互作用系统电子效率的作用，设置多级互作用系统，增加输出装置，使得输出的总功率增加，充分利用了行波管直流功率。
所述第一级输出装置和收集极之间的管壳上设置有三级互作用系统，第一级输出装置至收集极之间的管壳上依次设置有第二级调节电极、第二级磁聚焦系统、第二级输出装置、第三级调节电极、第三级磁聚焦系统、第三级输出装置、第四级调节电极、第四级磁聚焦系统和第四级输出装置，对应第二级互作用系统的第二级磁聚焦系统和第二级输出装置位置的管壳内夹持有第二级慢波系统螺旋线，对应第三级互作用系统的第三级磁聚焦系统和第三级输出装置位置的管壳内夹持有第三级慢波系统螺旋线，对应第四级互作用系统的第四级磁聚焦系统和第四级输出装置位置的管壳内夹持有第四级慢波系统螺旋线，三个调节电极既具有电子能量筛选能力，又具有调节下一互作用系统电子效率的作用，这是由于分别调节三个调节电极电位可以使得数量不同的电子沉积在调节电极上，从而使得进入下一级互作用系统的电子数量和能量不同，从而可以控制下一级互作用系统中电子注与电子能量交换的多少，控制电子效率。
所述第一级输出螺旋线、第二级慢波系统螺旋线、第三级慢波系统螺旋线和第四级慢波系统螺旋线的螺距均为均匀段、渐变段、均匀段趋势，且第二级慢波系统螺旋线起始端螺距小于第一级输出螺旋线末端螺距，第三级慢波系统螺旋线起始端螺距小于第二级慢波系统螺旋线末端螺距，第四级慢波系统螺旋线起始端螺距小于第三级慢波系统螺旋线末端螺距，由于每一级互作用后电子注能量降低，为了在下一级电磁波和电子注继续互作用，且为了保证电子注与电磁波相速度同步，这样设计就是保证下一级中电磁波和电子注能够再同步，再次互作用。
所述调节电极用于收集管壳内前一级输出端处电子总数5％的最低能量电子。
所述调节电极截面呈梭形结构，该结构可保证收集管壳内前一级输出端处电子总数5％的最低能量电子。
所述每级互作用系统的慢波系统螺旋线长度由行波管的功率决定。
所述每级互作用系统的慢波系统螺旋线末端与该级互作用系统输出装置的中心线齐平，所述第一级输出螺旋线末端与第一级输出装置的中心线齐平。
所述行波管工作电位、第一级调节电极电位、第二级调节电极电位、第三级调节电极电位依次减小，因为调节电极是为了收集低能量电子，经过每一级互作用后的电子能量都比上一级中电子能量低，而且每一级中被收集的低能量电子都比以前一级中收集的电子能量要低，因此所需要的电位也是逐渐减小的。
工作原理
电子枪发射直流电子注后进入第一级互作用系统，电磁波信号从第一级输入装置端口进入行波管，在第一级互作用系统内电子注与电磁波实现能量交换，电子注一部分能量交给电磁波，使得电磁波信号得到放大后从第一级输出装置端口输出；失去能量的电子注进入第二级调节电极，第二级调节电极所加电位低于行波管工作电位，能量最低的电子注沉积在第二级调节电极上，能量高的电子注接着进入第二级互作用系统，电子注于电磁波互作用交出部分能量后进入第三调节电极，然后接着进入第三级互作用系统，以此类推，经过第四级互作用系统后，电子注将大部分能量交给了电磁波信号，完成四级注波互作用后的电子注回收在收集极上。
本发明有益效果：
在螺旋线行波管中设计多级互作用系统可以充分利用行波管的直流能量，每级互作用系统都可以将电磁波放大；本发明提出多级互作用系统，有多个输出端口，对于同一个输入信号，经过电子注与电磁波互作用后，信号被放大后分别经多路输出端口输出，多个输出端口输出功率进行合成后其功率远大于传统行波管一个输出端口输出功率，这将意味着行波管输出功率得到明显提高，电子效率得到提高，这将有利于节省空间能源。
附图说明
图1示出现有技术单级互作用系统螺旋线行波管结构示意图；
图2示出现有技术螺旋线行波管中螺距分布示意图；
图3示出本发明剖面结构示意图；
图4示出本发明螺旋线螺距分布示意图。
具体实施方式
参见图3-图4所示，一种多级互作用系统螺旋线行波管，它包括螺旋线行波管1，该螺旋线行波管包括电子枪11、第一级螺旋线慢波系统12、第一级磁聚焦系统13、第一级输入装置14、第一级输出装置15、收集极16和管壳17，该第一级螺旋线慢波系统12包括第一级输入螺旋线121、第一级输出螺旋线122；
所述第一级输出装置15和收集极16之间的管壳17上设置有三级互作用系统2、3、4，每级互作用系统包括用于收集低能量电子的调节电极21、31、41、磁聚焦系统22、32、42、输出装置23、33、43和一段慢波系统螺旋线24、34、44；第一级输出装置15后的管壳17上依次设置有调节电极、磁聚焦系统和输出装置，对应该级互作用系统的磁聚焦系统和输出装置位置的管壳17内夹持有一段慢波系统螺旋线。
所述第一级输出装置15和收集极16之间的管壳17上设置有三级互作用系统2、3、4，第一级输出装置15至收集极16之间的管壳17上依次设置有第二级调节电极21、第二级磁聚焦系统22、第二级输出装置23、第三级调节电极31、第三级磁聚焦系统32、第三级输出装置33、第四级调节电极41、第四级磁聚焦系统42和第四级输出装置43，对应第二级互作用系统2的第二级磁聚焦系统22和第二级输出装置23位置的管壳17内夹持有第二级慢波系统螺旋线24，对应第三级互作用系统3的第三级磁聚焦系统32和第三级输出装置33位置的管壳17内夹持有第三级慢波系统螺旋线34，对应第四级互作用系统4的第四级磁聚焦系统42和第四级输出装置43位置的管壳17内夹持有第四级慢波系统螺旋线44。
所述第一级输出螺旋线122、第二级慢波系统螺旋线24、第三级慢波系统螺旋线34和第四级慢波系统螺旋线44的螺距均为均匀段、渐变段、均匀段趋势，且第二级慢波系统螺旋线24起始端螺距小于第一级输出螺旋线122末端螺距，第三级慢波系统螺旋线34起始端螺距小于第二级慢波系统螺旋线24末端螺距，第四级慢波系统螺旋线44起始端螺距小于第三级慢波系统螺旋线34末端螺距。
所述调节电极21、31、41用于收集管壳内前一级输出端处电子总数5％的最低能量电子。
所述调节电极21、31、41截面呈梭形结构。
所述每级互作用系统2、3、4的慢波系统螺旋线24、34、44长度由行波管的功率决定。
所述每级互作用系统2、3、4的慢波系统螺旋线24、34、44末端与该级互作用系统输出装置23、33、43的中心线齐平，所述第一级输出螺旋线122末端与第一级输出装置15的中心线齐平。
所述行波管工作电位、第二级调节电极21电位、第三级调节电极31电位、第四级调节电极41电位依次减小。
采用三维注波互作用软件对本发明所设计的四级互作用系统进行仿真计算，以Ku波段行波管为例，当行波管电子注电流I0＝90mA,行波管工作电位U0＝4.5KV，那么行波管直流功率为405W时，经过第一级互作用系统后输出的电磁波信号功率为122W(电子效率为27.5％)。第二级调节电极电位为U1＝2.5kV，沉积在第二级调节电极电位上电流为8mA,准直流电子注功率为405-122-2.5*8＝263W；经过第二级互作用系统后输出的电磁波信号功率为52W(电子效率为19.77％)。第三级调节电极电位为U2＝2.0kV，沉积在第三级调节电极电位上电流为10.5mA,准直流电子注功率为263-52-2*10.5＝190W；经过第三级互作用系统后输出的电磁波信号功率为26W(电子效率为13.68％)；第四级调节电极电位为U3＝1.2kV，沉积在第四级调节电机电位上电流为15mA,准直流电子注功率为190-26-1.2*15＝146W，经过第四级互作用系统后输出的电磁波信号功率为12W(电子效率为8.22％)；将四路输出信号进行合成，合成效率为80％，那么合成后总功率为(122+52+26+12)*80％＝212W；如果采用传统的螺旋线行波管，只有一个互作用系统，经计算电子效率最高为32％，此时行波管输出功率为405*32％＝129.6W，比本发明四级互作用系统输出功率小82.4W；由此可知，采用四级互作用系统，通过信号合成后，行波管总输出功率大于传统的一级互作用系统行波管，四级互作用系统行波管电子效率明显高于传统行波管，这将有利于提高行波管电子效率，节省空间能源。
如上所述，本发明一种多级互作用系统螺旋线行波管，所述的实施例及图，只是本发明较好的实施效果，并不是只局限于本发明，凡是与本发明的结构、特征等近似、雷同者，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种多级互作用系统螺旋线行波管，它包括螺旋线行波管(1)，该螺旋线行波管包括电子枪(11)、第一级螺旋线慢波系统(12)、第一级磁聚焦系统(13)、第一级输入装置(14)、第一级输出装置(15)、收集极(16)和管壳(17)，该第一级螺旋线慢波系统(12)包括第一级输入螺旋线(121)、第一级输出螺旋线(122)；其特征在于：
所述第一级输出装置(15)和收集极(16)之间的管壳(17)上设置有至少一级互作用系统，每级互作用系统包括依次设置的用于收集低能量电子的调节电极、磁聚焦系统和输出装置、以及一段慢波系统螺旋线，对应该级互作用系统的磁聚焦系统和输出装置位置的管壳(17)内夹持有对应段慢波系统螺旋线。
2.根据权利要求1所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述第一级输出装置(15)和收集极(16)之间的管壳(17)上设置有三级互作用系统(2、3、4)，第一级输出装置(15)至收集极(16)之间的管壳(17)上依次设置有第二级调节电极(21)、第二级磁聚焦系统(22)、第二级输出装置(23)、第三级调节电极(31)、第三级磁聚焦系统(32)、第三级输出装置(33)、第四级调节电极(41)、第四级磁聚焦系统(42)和第四级输出装置(43)，对应第二级互作用系统(2)的第二级磁聚焦系统(22)和第二级输出装置(23)位置的管壳(17)内夹持有第二级慢波系统螺旋线(24)，对应第三级互作用系统(3)的第三级磁聚焦系统(32)和第三级输出装置(33)位置的管壳(17)内夹持有第三级慢波系统螺旋线(34)，对应第四级互作用系统(4)的第四级磁聚焦系统(42)和第四级输出装置(43)位置的管壳(17)内夹持有第四级慢波系统螺旋线(44)。
3.根据权利要求2所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述第一级输出螺旋线(122)、第二级慢波系统螺旋线(24)、第三级慢波系统螺旋线(34)和第四级慢波系统螺旋线(44)的螺距均为均匀段、渐变段、均匀段趋势，且第二级慢波系统螺旋线(24)起始端螺距小于第一级输出螺旋线(122)末端螺距，第三级慢波系统螺旋线(34)起始端螺距小于第二级慢波系统螺旋线(24)末端螺距，第四级慢波系统螺旋线(44)起始端螺距小于第三级慢波系统螺旋线(34)末端螺距。
4.根据权利要求1所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述调节电极用于收集管壳内前一级输出端处电子总数5％的最低能量电子。
5.根据权利要求1所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述调节电极截面呈梭形结构。
6.根据权利要求1所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述每级互作用系统的慢波系统螺旋线长度由行波管的功率决定。
7.根据权利要求1所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述每级互作用系统的慢波系统螺旋线末端与该级互作用系统输出装置的中心线齐平，所述第一级输出螺旋线(122)末端与第一级输出装置(15)的中心线齐平。
8.根据权利要求2或3所述的一种多级互作用系统螺旋线行波管，其特征在于：所述行波管工作电位、第二级调节电极(21)电位、第三级调节电极(31)电位、第四级调节电极(41)电位依次减小。
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