CN110620028A - 小型化、轻重量的Ka波段空间行波管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，它包括：双阳极电子枪（1），与双阳极电子枪（1）相连的螺旋线慢波电路（2），与螺旋线慢波电路（2）相连的四级降压收集极（3）。本发明结构设计合理，通过大量实验筛选出高性能的小型化电子枪；高线性度、高效率的螺旋线慢波电路；快速冷却的整管散热结构；热交换性能优良，低返流的四级降压收集极。实验检测结果表明，本发明行波管总长小于200mm，重量低于350g，功率大于55W，工作比100%，相移曲线单调且小于45度，三阶互调大于18.5dBc，具有优异的性能，并且工作稳定性好，可应用范围广泛。

Description

小型化、轻重量的Ka波段空间行波管
技术领域
本发明涉及一种行波管，具体涉及一种输出效率高、小型化、轻重量的Ka波段空间行波管。
背景技术
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常用选择方案，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。随着低轨道通讯卫星的迅猛发展，对卫星小型化、普及化的提出了更高的要求，原有行波管体积大、重量重，增大了整星的体积和重量，整星制造和发射成本居高不下，不利于拓展商用市场，因此十分迫切需求小型化轻重量行波管的研制取得突破性进展。由于空间行波管必须具有高的能量转化效率、满足输出功率、增益的要求、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非线性参量，同时卫星系统要求在轨应用的空间行波管要满足≥12年寿命的要求，研制空间行波管需要满足苛刻的要求，虽然空间行波管的小型化，但是这些要求不能降低，极大得增加了研制的难度。
因此，为了满足卫星快速发展的需求，很有必要设计开发一种小型化、轻重量、Ka波段空间行波管。
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，提供一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管，可满足低轨移动星座的迫切需求。
本发明通过总体设计和各部件自身的减重，在确保性能指标和可靠性不降低的情况下，采用新型电子枪结构，减小电子枪直径，优化收集极结构，缩小电极尺寸，缩小管壳和极靴，实现行波管的小型化和轻重量。
本发明利用三维模拟软件进行小型化设计，确保性能和可靠性不降低，通过集合创新，优化各组成部分的连接关系以及减小各组成部分自身的结构和重量，减小空间行波管整体尺寸和重量。
技术方案：为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为：
一种小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，它包括：双阳极电子枪，与双阳极电子枪相连的螺旋线慢波电路，与螺旋线慢波电路相连的四级降压收集极；
所述的双阳极电子枪包括金属电子枪外壳、安装在金属电子枪外壳内部的一体式瓷、平焊在一体式瓷上的阴极封接环、聚束极封接环、阳极一封接环和阳极二封接环，安装在金属电子枪外壳底部的后盖组合，焊接在后盖组合上的电子枪引线柱，焊接在金属电子枪外壳侧边的排气管组件；焊接在阴极封接环内部的支撑筒台阶，焊接在支撑筒台阶内部的支撑筒直，焊接在支撑筒直内部的支撑筒椎，焊接在支撑筒椎内部的枪芯组件，安装在聚束极封接环内部的聚束极，安装在阳极一封接环内部的阳极一，安装在阳极二封接环内部的阳极二。
所述的后盖组合上开设有增加绝缘性能的槽。
所述的慢波电路包括螺旋线、三等分分布于螺旋线外部的夹持杆、套在夹持杆外部的管壳，与管壳左端相连的输入输能装置，与管壳右端相连的输出输能装置；
所述的四级降压收集极包括：收集极筒，安装在收集极筒内部的四片收集极瓷，从左至右在四片收集极瓷内部依次安装有第一收集极芯，第二收集极芯，第三收集极芯和第四收集极芯；
所述的收集极筒与底板相互焊接。
作为优选，所述的阴极为表面覆膜浸渍型钡钨的阴极；
本发明通过大量实验筛选电子枪结构，本发明所述的双阳极电子枪结构上将电子枪部件改成金属电子枪外壳和一体式瓷，与现有的多层瓷环和封接环叠加起来焊接，可有效较少电子枪整体质量体积和焊接漏气的风险。通过减小支撑筒台阶的长度以及直径，加强力学强度。减小枪芯组件的长度，提高枪芯本身的焊接同心度以及可靠性。本发明采用热丝瓷座组件，可减短灯丝引线的长度，改善热丝组件可靠性。本发明将阴极封接环、聚束极封接环、阳极一封接环、阳极二封接环平焊在一体陶瓷上，利于后面的电子枪装配和二次加工，并且无漏气风险，提高焊接的合格率，并且电极引线都是悬空处理，陶瓷全部在金属电子枪壳内部，可加强电极之间的绝缘，同时封接环较之前的薄壁零件减少零件的加工难度，增加零件的力学强度。排气管组件改排气管为侧面，较现有技术的方式，可减少长度，优化了后期剪排管的难度。新型的后盖组合采用的引线方法加强了引线柱的焊接强度，在电子枪后盖瓷上的开槽，可大大加强电极之间的绝缘性能。
本发明电子枪采用聚焦极控制，采用覆膜浸渍型钡钨阴极，焊接结构。利用CAD技术优化高会聚电子注设计和高强度磁场，分析电子光学系统的特性，可减少慢波系统的电子截获。提高电子注的形状和层流性，确保得到层流性好、脉动小的高性能电子光学系统，减少慢波系统的电子截获。选取较小的电流密度为1.05A/cm2，并结合工作点的选择，提高工作寿命。
收集极的设计直接影响到降压深度和电子注在收集极芯内壁的分布均匀性，为了更好的提高总效率以及将收集极的热量快速传递出来是降压收集极设计的关键。本发明通过大量实验筛选验证，采用热交换性能优良的四级降压收集极。将收集极筒与底板直接焊接，可大大提高散热能力，并且采用收集极芯一、收集极芯二、收集极芯三、收集极芯四的四个收集极芯结构，可最大程度减少收集极降压后带来的电子反转问题，提高行波管电子注流通率，使得该管的电子注流通率可达98%以上，能够使收集极满足行波管在连续波工作条件下散热要求，能够实现高输出功率和优良的非线性的目标。
有益效果：本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管与现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管，结构设计优良，通过大量实验筛选出高性能的小型化电子枪；高线性度、高效率的螺旋线慢波电路；快速冷却的整管散热结构；热交换性能优良，低返流的四级降压收集极。
实验检测结果表明，本发明提供的一种小型化、轻重量、高线性度、高效率的Ka波段空间行波管总长小于200mm，重量低于350g，功率大于55W，工作比100%，相移曲线单调且小于45度，三阶互调大于18.5dBc，具有优异的性能，并且工作稳定性好，可应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管的结构示意图。
图2为本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管的电子枪结构示意图。
图3为本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管的螺旋线慢波电路的结构示意图。
图4为本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管的四级降压收集极的结构示意图。
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4所示，一种小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，它包括：双阳极电子枪1，与双阳极电子枪1相连的螺旋线慢波电路2，与螺旋线慢波电路2相连的四级降压收集极3；
所述的双阳极电子枪1包括金属电子枪外壳1-1、安装在金属电子枪外壳1-1内部的一体式瓷1-2、平焊在一体式瓷1-2上的阴极封接环1-8、聚束极封接环1-9、阳极一封接环1-10和阳极二封接环1-11，安装在金属电子枪外壳1-1底部的后盖组合1-16，焊接在后盖组合1-16上的电子枪引线柱1-17，焊接在金属电子枪外壳1-1侧边的排气管组件1-15；焊接在阴极封接环1-8内部的支撑筒台阶1-6，焊接在支撑筒台阶1-6内部的支撑筒直1-5，焊接在支撑筒直1-5内部的支撑筒椎1-4，焊接在支撑筒椎1-4内部的枪芯组件1-3，安装在聚束极封接环1-9内部的聚束极1-12，安装在阳极一封接环1-10内部的阳极一1-13，安装在阳极二封接环1-11内部的阳极二1-14。
所述的阴极为表面覆膜浸渍型钡钨的阴极；
所述的后盖组合1-16上开设有增加绝缘性能的槽。
所述的慢波电路2包括螺旋线2-1、三等分分布于螺旋线2-1外部的夹持杆2-3、套在夹持杆2-3外部的管壳2-2，与管壳2-2左端相连的输入输能装置2-4，与管壳2-2右端相连的输出输能装置2-5；
所述的四级降压收集极3包括：收集极筒3-1，安装在收集极筒3-1内部的四片收集极瓷3-2，从左至右在四片收集极瓷2内部依次安装有第一收集极芯3，第二收集极芯4，第三收集极芯5和第四收集极芯6；
所述的收集极筒3-1与底板相互焊接。
综上，本发明根据多轮结构调整和工艺优化，取得了以下技术进步：
1、本发明利用仿真软件，优化整管结构，合理分配各部件的大小和重量。在确保满足使用的条件下，可实现整管的小型化和轻量化。
2、采用新结构单瓷，可实现电子枪的小型化和轻重量，并将电子枪外罩改为金属筒，改变老结构因灌封硅橡胶造成电子枪直径过大，并为包装件设计、同心度保证和压缩底板厚度提供便利。
3、在高频电路部分通过采用取消现有技术的切断和紧固片的结构，可实现电子效率提高，为进一步减小收集极提供便利、减小高频部分直径和长度降低高频重量。
4、设计底板焊接模具，实现输出输能与安装平面的平行度小于0.1mm，为后续行波管批量安装和互换提供技术保障。
5、通过各关键件的一致性控制，参数一致性水平有了很大的提高。本发明提供的一种小型化、轻重量Ka波段空间行波管，可实现项目Ka波段，带宽0.5GHz，工作比100%，输出功率大于55W，增益大于40dB, 效率大于60%，相移小于45度，三阶互调大于18.5dBc，长度小于200mm系列行波管产品的应用需求。
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 (2)

1.小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，其特征在于，它包括：双阳极电子枪（1），与双阳极电子枪（1）相连的螺旋线慢波电路（2），与螺旋线慢波电路（2）相连的四级降压收集极（3）；
所述的双阳极电子枪(1)包括金属电子枪外壳（1-1）、安装在金属电子枪外壳（1-1）内部的一体式瓷（1-2）、平焊在一体式瓷（1-2）上的阴极封接环（1-8）、聚束极封接环（1-9）、阳极一封接环（1-10）和阳极二封接环（1-11），安装在金属电子枪外壳（1-1）底部的后盖组合（1-16），焊接在后盖组合（1-16）上的电子枪引线柱（1-17），焊接在金属电子枪外壳（1-1）侧边的排气管组件（1-15）；
焊接在阴极封接环（1-8）内部的支撑筒台阶（1-6），焊接在支撑筒台阶（1-6）内部的支撑筒直（1-5），焊接在支撑筒直（1-5）内部的支撑筒椎（1-4），焊接在支撑筒椎（1-4）内部的枪芯组件（1-3），安装在聚束极封接环（1-9）内部的聚束极（1-12），安装在阳极一封接环（1-10）内部的阳极一（1-13），安装在阳极二封接环（1-11）内部的阳极二（1-14）；
所述的后盖组合（1-16）上开设有增加绝缘性能的槽；
所述的慢波电路(2)包括螺旋线（2-1）、三等分分布于螺旋线（2-1）外部的夹持杆（2-3）、套在夹持杆（2-3）外部的管壳（2-2），与管壳（2-2）左端相连的输入输能装置（2-4），与管壳（2-2）右端相连的输出输能装置（2-5）；
所述的四级降压收集极(3)包括：收集极筒（3-1），安装在收集极筒（3-1）内部的四片收集极瓷（3-2），从左至右在四片收集极瓷（2）内部依次安装有第一收集极芯（3），第二收集极芯（4），第三收集极芯（5）和第四收集极芯（6）；
所述的收集极筒（3-1）与底板相互焊接。
2.根据权利要求1所述的小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，其特征在于，所述的阴极为表面覆膜浸渍型钡钨的阴极。
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