CN105047508A - L波段高效率、高线性度空间行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了L波段高效率、高线性度空间行波管，它包括双阳极电子枪(1)，与双阳极电子枪(1)相连的慢波电路(2)，固定在慢波电路(2)外部的聚焦系统(5)，与慢波电路(2)相连的输能装置(3)和四级降压收集极(4)。本发明提供的行波管，结构设计合理，效率高，线性度高，重量轻，安全可靠。本发明通过优化电子枪结构，采用聚焦极控制双阳极电子枪，并采用波纹瓷结构，耐压更高，工作更加稳定，采用螺旋线慢波电路，优化选取螺旋线内径，从而获得较高的耦合阻抗，并采用相速渐变，得到高效率、高线性度的慢波系统，采用非对称、尖锥状四级降压收集极，抑制收集极返流，提高收集极效率。可广泛应用于导航、通信等卫星中。

Description

L波段高效率、高线性度空间行波管

技术领域

本发明涉及一种行波管，具体涉及一种135W的L波段连续波高效率、高线性化空间行波管。

背景技术

目前卫星用途广泛，包括军事对抗、侦察、雷达应用、商业通信、宽带多媒体、气象应用、导航及通信等，有力地推动了各项事业的发展。

空间行波管放大器作为用来末级功率放大的选择方案之一，备受关注，国外普遍采用空间行波管作为各类应用卫星的核心器件。

由于卫星上可用能源和散热条件的限制，空间行波管必须具有高的能量转化效率。同时对于应用于卫星的空间行波管，不仅要满足输出功率、增益的要求，同时还必须具备较小的谐波分量和三阶交调分量的输出，以及较小的相位失真和较小的群时延等诸多非线性参量的要求。

伴随着各种不同功能卫星的高速发展，国家对空间行波管的数量和性能提出了越来越高的要求，空间行波管的研制难度越来越大，而西方对其关键技术严格保密，对关键元器件严格禁运，迫使我们只能走自主创新发展之路。

因此，为了满足卫星快速发展的需求以及实现关键技术、武器的自主可控，很有必要设计开发一种高效率、高线性度的L波段空间行波管，最终实现国外样管的替代。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种结构设计合理，总效率高，线性度好，性能优越，结构新颖，可适用于卫星通信、导航等系统应用的L波段空间行波管。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为:

一种L波段高效率、高线性度空间行波管，它包括：双阳极电子枪，与双阳极电子枪相连的慢波电路，固定在慢波电路外部的聚焦系统，与慢波电路相连的输能装置和四级降压收集极；

所述的双阳极电子枪包括波纹形氧化铝电子枪瓷环，安装在波纹形氧化铝电子枪瓷环内的热丝，安装在热丝上方的阴极组件，阴极组件位于阴极支持筒上，安装在阴极组件上的聚束极，安装在聚束极上方的阳极，所述的阴极支持筒外周套有热屏筒；

所述的慢波电路包括管壳、安装在管壳内的螺旋线，支撑固定在管壳和螺旋线之间的扇形氧化铍瓷杆；所述的螺旋线的输入段及输出段均设置有集中衰减器，所述的螺旋线的径向传播常数γa为0.65-0.7；所述的螺旋线采用相速渐变结构；

作为优选方案，所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的螺旋线相速渐变结构包括相速增加段、相速减小段，相速增加段，螺旋线分为4段，长度分别为205mm，196mm，12mm和5mm；螺距大小分别1.4mm，1.48mm，1.16mm和1.23mm。

作为优选方案，所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的聚焦系统为PPM聚焦系统。

作为优选方案，所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的输能装置中输入采用SMA结构，输出采用TNC结构。

作为优选方案，所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的SMA结构包括输入输能窗，穿过输入输能窗的内导体，安装在内导体外周的输入套筒，安装在内导体和输入套筒之间的介质。

作为优选方案，所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的输出TNC结构包括输出窗，穿过输出窗的内导体，安装在输出窗和内导体外周的输出套筒，安装在输出套筒与输出窗和内导体之间的介质。

作为优选方案，所述所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述四级降压收集极包括收集极外筒，安装在收集极外筒内的第一收集极，第二收集极，第三收集极和第四收集极，安装在收集极外筒内壁上的带孔瓷柱；第一收集极，第二收集极，第三收集极和第四收集极的引线穿过带孔瓷柱后由尾部引出，彼此通过陶瓷绝缘；第一收集极，第二收集极，第三收集极和第四收集极为非对称电极，且采用锯齿状尖锥结构。

本发明采用的螺旋线慢波结构，对设计参数进行进一步优化选取，通过选取较小的γa获得较高的耦合阻抗，结合相速渐变和CAD的手段提高电子效率，同时满足高线性化需求；采用PPM聚焦系统保证高的流通率；输入采用标准SMA-50k接头，输出采用TNC接头，保证低的电压驻波比和高的输出功率；采用四级降压收集极提高整管效率；采用一体式传导冷却散热结构和封装结构保证整管力学和热学性能。

总效率与输出功率、总功耗直接相关，在输出功率一定的情况下，高效率意味着较小的功耗，而总功耗与电子效率、收集极效率以及热丝加热效率即热丝加热功率息息相关。因此，在解决整管效率的问题上，本发明通过大量实验从以下三方面进行优化:一方面优化慢波电路，维持较小的非线性失真，同时优化收集极入口条件，另一方面优化调整收集极形状及尺寸，提升收集极效率，最后从热丝加热功率上需进一步提升电子枪保温效果，降低热丝加热功率，从而降低总功耗，满足整管效率要求。效率提升的同时可保证非线性指标满足。

下面详细地介绍本发明的技术方案：

本发明的聚焦极控制双阳极电子枪有以下优点：

1、为保证电子枪中阴极长寿命，本发明在电子枪结构上设置阳离子阱(设置第二阳极)，使其电位较管体高数百伏，形成离子阱效应，抑制电子注轰击高频部分产生的正离子回流电子枪对阴极产生不利影响。

2、本发明采用金属陶瓷结构，同时氧化铝瓷环采用波纹形状，可进一步增加耐压路径，增加耐压强度，提高电子枪工作的可靠性，降低打火几率。

3、为增强电子枪的抗电磁特性，增高定位阳极的封接环(一)形成屏蔽筒，以达到电磁屏蔽的效果。

4、为增强电子枪保温效果，调整热屏结构，减小热屏筒与阴极支撑筒厚度，以减小热屏筒与阴极支撑筒的导热容量，提升枪芯的保温性能；增加双热屏结构，增强屏蔽效果，减小热丝加热功率。

5、为实现空间行波管长寿命，选取尽可能小的阴极负荷，同时优化选择阴极的工作温度，能够显著降低阴极表面发射活性物质的蒸发速度，同时减缓阴极表面膜层的退化速度，从而延长阴极的寿命。

本发明的慢波电路有以下优点:

1、采用螺旋线型慢波电路，体积小，重量轻。

2、慢波电路采用一次切断，输入段及输出段均设置集中衰减器，可防止内部振荡及反射，增强整管稳定性。

3、采用扇形氧化铍瓷杆，一方面增强夹持可靠性，同时由于氧化铍良好的导热性增强慢波电路散热，提高整管工作可靠性。

4、通过较小的螺旋线内径获得较高的耦合阻抗，实现高电子效率。本发明通过大量实验优化选取径向传播常数γa为0.65-0.7。

5、本发明采用相速渐变技术，可实现相速的再同步，优选色散组合，保证电子效率的同时实现高线性度。

实验结果表明，本发明的慢波电路可实现40％以上的电子效率。线性度谐波可控制在-20dBc以下，相移40°以下，群时延1ns以下。

本发明采用的四级降压收集极具有以下优点：

1、采用瓷柱开孔，前第一，第二，第三级收集极的高压引线从瓷柱开孔小孔引出，保证各级绝缘安全。

2、第一，第二，第三和第四级收集极的全部高压引线从尾部引出，通过陶瓷绝缘，方式新颖独特。

3、采用非对称电极抑制收集极内一次电子、二次电子返转，同时采用锯齿状尖锥结构，可明显提高收集极效率同时可大大减小收集极长度，实现收集极小型化。

本发明的输能系统有以下优点：

1、输入采用SMA结构，输出采用TNC结构。

2、输入窗、输出窗既能使行波管形成密闭的空间，又能保证功率输出。

3、实现外传输线和螺旋线的良好的匹配，具有低电压驻波比特点，驻波可达到1.3以下。

本发明采用聚焦系统有以下特点：

1、采用PPM聚焦系统，重量轻、尺寸小。

2、通过减小磁周期，保证高的流通率，本发明的磁系统周期优选为10mm。

有益效果：本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管通过大量计算、实验，结构设计合理，效率高，线性度高，重量轻，安全可靠。本发明通过优化电子枪结构，采用聚焦极控制双阳极电子枪，并采用波纹瓷结构，耐压更高，工作更加稳定，采用易于加工的螺旋线慢波电路，复合管壳结构，优化选取螺旋线内径，从而获得较高的耦合阻抗，并采用相速渐变，得到高效率、高线性度的慢波系统，采用非对称、尖锥状四级降压收集极，抑制收集极返流，提高收集极效率，从而保证整管的高效率，最终实现导航、通信等卫星用的L波段高效率、高线性度空间行波管。

附图说明

图1为本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管的组装结构示意图。

图2为本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管中电子枪的结构示意图。

图3为本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管中慢波电路的结构示意图。

图4为本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管中慢波电路截面的结构示意图。

图5为本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管中四级降压收集极的结构示意图。

图6为输入SMA结构的结构示意图。

图7为输出TNC结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1至图7所示，一种L波段高效率、高线性度空间行波管，它包括：双阳极电子枪(1)，与双阳极电子枪(1)相连的慢波电路(2)，固定在慢波电路(2)外部的聚焦系统(5)，与慢波电路(2)相连的输能装置(3)和四级降压收集极(4)；

所述的双阳极电子枪(1)包括波纹形氧化铝电子枪瓷环(1-6)，安装在波纹形氧化铝电子枪瓷环(1-6)内的热丝(1-1)，安装在热丝(1-1)上方的阴极组件(1-2)，阴极组件(1-2)位于阴极支持筒(1-3)上，安装在阴极组件(1-2)上的聚束极(1-7)，安装在聚束极(1-7)上方的阳极(1-4)，所述的阴极支持筒(1-3)外周套有热屏筒(1-5)；

所述的慢波电路(2)包括管壳(2-1)、安装在管壳(2-1)内的螺旋线(2-2)，支撑固定在管壳(2-1)和螺旋线(2-2)之间的扇形氧化铍瓷杆(2-3)；所述的螺旋线(2-2)的输入段及输出段均设置有集中衰减器，所述的螺旋线(2-2)的径向传播常数γa为0.65-0.7；所述的螺旋线(2-2)采用相速渐变结构；

以上所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的螺旋线(2-2)相速渐变结构包括相速增加段、相速减小段及相速增加段，螺旋线分为4段，长度分别为205mm，196mm，12mm和5mm；螺距大小分别1.4mm，1.48mm，1.16mm和1.23mm。

以上所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的聚焦系统(5)为PPM聚焦系统，磁系统周期为10mm。

以上所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述的输能装置(3)中输入采用SMA结构，输出采用TNC结构。

所述的SMA结构包括输入输能窗(3-1)，穿过输入输能窗(3-1)的内导体(3-2)，安装在内导体(3-2)外周的输入套筒(3-3)，安装在内导体(3-2)和输入套筒(3-3)之间的介质(3-4)。

所述的输出TNC结构包括输出窗(3-5)，穿过输出窗(3-5)的内导体(3-6)，安装在输出窗(3-5)和内导体(3-6)外周的输出套筒(3-7)，安装在输出套筒(3-7)与输出窗(3-5)和内导体(3-6)之间的介质(3-8)。

以上所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，所述四级降压收集极(4)包括收集极外筒(4-5)，安装在收集极外筒(4-5)内的第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)，安装在收集极外筒(4-5)内壁上的带孔瓷柱(4-6)；第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)的引线穿过带孔瓷柱(4-6)后由尾部引出，彼此通过陶瓷绝缘；第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)为非对称电极，且采用锯齿状尖锥结构。

本发明提供的L波段高效率、高线性度空间行波管通过结构优化优选，具有以下创造性技术效果：

1、通过减小径向传播参量γa,可有效增大耦合阻抗，实现41％以上的电子效率，本发明的γa优选为0.65-0.7，同时通过选取较小的γa，整管的径向尺寸及轴向尺寸可得到大大降低，实现整管高电子效率。

2、通过相速渐变，实现高电子效率的同时，优选色散组合，实现高线性度。在实现40％以上的电子效率的同时，谐波控制在-20dBc以下，相移控制在40°以下，满足了高线性度要求。

3、通过采用非对称电极、锯齿状四级降压收集极，实现70％的收集极回收效率，结合41％的电子效率，最终使整管效率达到60％以上，满足了高效率要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，它包括：双阳极电子枪(1)，与双阳极电子枪(1)相连的慢波电路(2)，固定在慢波电路(2)外部的聚焦系统(5)，与慢波电路(2)相连的输能装置(3)和四级降压收集极(4)；

所述的双阳极电子枪(1)包括波纹形氧化铝电子枪瓷环(1-6)，安装在波纹形氧化铝电子枪瓷环(1-6)内的热丝(1-1)，安装在热丝(1-1)上方的阴极组件(1-2)，阴极组件(1-2)位于阴极支持筒(1-3)上，安装在阴极组件(1-2)上的聚束极(1-3)，安装在聚束极(1-3)上方的阳极(1-4)，所述的阴极支持筒(1-3)外周套有热屏筒(1-5)；

所述的慢波电路(2)包括管壳(2-1)、安装在管壳(2-1)内的螺旋线(2-2)，支撑固定在管壳(2-1)和螺旋线(2-2)之间的扇形氧化铍瓷杆(2-3)；所述的螺旋线(2-2)的输入段及输出段均设置有集中衰减器，所述的螺旋线(2-2)的径向传播常数γa为0.65-0.7；所述的螺旋线(2-2)采用相速渐变结构。

2.根据权利要求1所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的螺旋线(2-2)包括4段，长度分别为205mm，196mm，12mm和5mm；螺距大小分别1.4mm，1.48mm，1.16mm和1.23mm。

3.根据权利要求1所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的聚焦系统(5)为PPM聚焦系统，磁系统周期为10mm。

4.根据权利要求1所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述四级降压收集极(4)包括收集极外筒(4-5)，安装在收集极外筒(4-5)内的第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)，安装在收集极外筒(4-5)内壁上的带孔瓷柱(4-6)；第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)的引线穿过带孔瓷柱(4-6)后由尾部引出，彼此通过陶瓷绝缘；第一收集极(4-1)，第二收集极(4-2)，第三收集极(4-3)和第四收集极(4-4)为非对称电极，且采用锯齿状尖锥结构。

5.根据权利要求1～4任一项所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的输能装置(3)中输入采用SMA结构，输出采用TNC结构。

6.根据权利要求5所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的SMA结构包括输入输能窗(3-1)，穿过输入输能窗(3-1)的内导体(3-2)，安装在内导体(3-2)外周的输入套筒(3-3)，安装在内导体(3-2)和输入套筒(3-3)之间的介质(3-4)。

7.根据权利要求5所述的L波段高效率、高线性度空间行波管，其特征在于，所述的输出TNC结构包括输出窗(3-5)，穿过输出窗(3-5)的内导体(3-6)，安装在输出窗(3-5)和内导体(3-6)外周的输出套筒(3-7)，安装在输出套筒(3-7)与输出窗(3-5)和内导体(3-6)之间的介质(3-8)。