CN110767518A - 导航卫星用长寿命、高效率、低失真l波段空间行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L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）焊接的慢波电路（2），与慢波电路（2）焊接的四级降压收集极（3）。本发明提供的L波段空间行波管，其功率大于160W，整管效率大于67%，群时延在0.8ns以下，线性度谐波可控制在‑20dBc以下，相移曲线单调且在40°以下，并且杂波抑制裕量优于‑60dBc，寿命大于20年，具有良好的性能，较高的工作稳定性，应用范围广泛。

Description

导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管

技术领域

本发明涉及一种行波管，具体涉及一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管。

背景技术

为数众多的卫星在不停地运转，通过他们对各种信息的接收与发送，连接了整个地球，使得世界不断地发展进步。为各种目的服务的卫星，诸如商业通信卫星、气象卫星、多媒体应用卫星、雷达、侦查卫星、导航及通信卫星等等，有力地推动了各项事业的发展。而空间行波管作为微波功率放大的核心器件，在各类应用卫星中也占据着核心地位，随着各类功能卫星的飞速发展，对其数量和性能也提出了愈来愈高的需求。一方面，空间行波管必须具备较高的能量转化效率，另一方面，还需满足输出功率、增益等指标要求以及适应星载空间环境要求，同时，还必须满足一系列非线性参量指标要求，如较小的谐波分量、较小的三阶交调分量的输出、相位失真以及较小的群时延等，另外，在行波管寿命方面，卫星系统要求在轨应用的空间行波管寿命需在12年以上，这一系列苛刻的要求，极大地增加了研制的难度。

因此，为满足卫星快速发展的需求以及我国空间行波管自主创新的发展要求，有必要设计一种导航用长寿命、高效率、低失真、低噪声的L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，提供一种新一代导航卫星用L波段160W连续波长寿命（≥20年）、高效率（≥67%）、低失真、低噪声空间行波管，可满足导航卫星系统的迫切需求。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为：

一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管，它包括双阳极电子枪，与双阳极电子枪焊接的慢波电路，与慢波电路焊接的四级降压收集极；

所述的双阳极电子枪包括波纹瓷环组合，安装在波纹瓷环组合上方的定位环，安装在波纹瓷环组合内部、定位环下方的阳极二封接环和阳极二，阳极二封接环和阳极二焊接固定；安装在波纹瓷环组合内部、阳极二封接环下方的阳极一封接环和阳极一，阳极一封接环和阳极一焊接固定；安装在波纹瓷环组合内部、阳极一封接环下方的聚束极组合和聚束极封接环，所述的聚束极组合由聚束极和聚束极支撑筒焊接固定，聚束极组合和聚束极封接环焊接固定；安装在波纹瓷环组合内部、聚束极封接环下方的阴极封接环、阴极热丝组件和阴极支撑筒；所述的阴极热丝组件包括由阴极和阴极筒组成的阴极组件和由热丝、热丝筒和一级刚玉粉组成的热丝组件；所述的阴极热丝组件和阴极支撑筒焊接固定，阴极支撑筒底部和阴极封接环焊接固定；安装在波纹瓷环组合底部的后盖封接环和吸气剂，所述的阴极支撑筒下方设有屏蔽盖，其中阴极直径为5mm.

所述的慢波电路包括管壳，通过夹持杆安装在管壳内的螺旋线，与管壳左端相连的输入输能组件，与管壳右端相连的输出输能组件；所述的夹持杆为三根等分在管壳内，其中1根夹持杆与管壳之间夹有紧固片；

所述的慢波电路分为输入段及输出段，输入段和输出段中的夹持杆均设置有集中衰减器，输入段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为30mm，均匀段长度为10mm，输出段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为45mm，均匀段长度为15mm；

慢波电路中螺旋线采用正跳变~正渐变~正跳变~负渐变-负跳变的相速渐变结构；螺旋线内半径为2.3mm；螺旋线螺距大小分别1.18mm、1.37mm、1.4mm、1.12mm；

所述的四级降压收集极包括收集极筒组件，收集极瓷柱；第一收集极芯，第二收集极芯，第三收集极芯，第四收集极芯，收集极尾盖瓷和收集极尾盖；四圈收集极瓷柱均匀分布在收集极筒组件的内部的固定槽内，四圈收集极瓷柱从上到下依次卡住第一收集极芯，第二收集极芯，第三收集极芯和第四收集极芯，收集极尾盖瓷焊于收集极尾盖上，与收集极筒组件相连；

所述的第四收集极芯为斜口非对称型结构。

所述的一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管，慢波电路中螺旋线表面经过磁控溅射铜处理；具体工艺为抽真空到10-3Pa，然后加热到300℃，通过射频功率输入进行射频清洗，然后通过预溅射去除靶材表面的氧化物，最后通过溅射镀膜对表面进行薄膜沉积得到溅射镀膜。

所述的一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管，所述的夹持杆集中衰减器是由正庚烷气体在大气压强20Pa以内真空中，通过900~1200℃高温裂解出碳附着并渗透到夹持杆内制得。

本发明所述的双阳极电子枪，在结构上，较传统单阳极电子枪，在阴极与第二阳极之间增加了第一阳极，因此第二阳极与螺旋线之间可形成稳定的离子阱，通过控制第一阳极电压，可使得电子枪在相同工作电压下满足不同的电流需求，进而适应不同输出功率要求。同时也可降低正常工作时的阳极电压，使阳极电压对总电流调节能力增强。另外，使用双阳极电子枪可增强阳极电压对总电流调控能力，特殊需要说明的是：该特点对于行波管整机在轨后，经过螺流遥测每年会进行阳压的适度上调补偿，来维持总电流一致，但整机阳压补偿有一门限，在350V左右，而本发明聚焦极控制双阳极电子枪的设计，可降低第一阳极电压，即阳极电压对总电流调控能力更强，从而使整机阳压调控补偿范围更大。并且本发明增大阴极直径，减小支取电流密度，降低阴极负荷，延长使用寿命。将阴极直径增大至5mm，在支取电流不变的情况下，阴极支取电流密度可由之前的0.8A/cm²降低至约0.52 A/cm²，阴极负荷进一步降低，阴极寿命余量更大。在阴极直径增大情况下，采用双阳极电子枪，降低第一阳极电压，即阳极电压对总电流调控能力更强，从而整机阳压调控补偿范围更大，同时增大离子阱，提高可靠性，优化电子光学尺寸，维持并提高电子注流通率；通过大量试验优化结构，维持电子枪的加热效率，寿命预计可达20年以上。

本发明提供的慢波电路，包括复合管壳、镀铜螺旋线、夹持杆及输入输出输能系统。本发明一方面优化夹持杆衰减器匹配长度以及渗碳衰减器制备工艺和测量方法，加强工艺控制，降低反射，抑制异常杂波。优化后杂波裕量为-63.12dBm，

另一方面，本发明充分采用相速跳变及相速渐变技术，可有效抑制谐波，实现相速再同步，提升电子效率。且可进行多次相速跳变的慢波电路模型如图5所示，并且本发明采用螺旋线表面覆铜工艺，这样可以降低高频损耗，进一步提高电子效率。利用仿真软件设计主要性能结果如图6至图11所示。从计算结果可以看出，电子效率、二次谐波等参数明显提升。电子效率提升至51%以上，群时延优化至0.6ns，线性度谐波可控制在-20dBc以下，相移35°以下，取得了非常好的技术进步。

本发明所述的高效率、低螺流四级降压收集极，四级收集极芯卡在四圈瓷柱中间依次排列，四圈瓷柱外套上收集极筒组合，本发明采取磁挤压工艺进行装配，收集极各级之间通过均匀分布的瓷柱来保证绝缘及热传导，装配好的收集极可从根本上解决瓷筒焊接收集极漏气等问题，并且由于该种结构不需焊接，陶瓷外表面不需金属化，因此各级绝缘大大加强，耐压程度较高，散热性能优良，从而可保证收集极长期工作的可靠性，同时在收集极筒的内壁加固定槽以防止瓷柱在挤压过程中的变化，加强装配的一致性及可控性，以及保证后续高量级的振动冲击考核试验中的可靠性。另外，通过不断优化各级电子光学尺寸及结构，进一步提升了收集极回收效率，第四极结构为斜口非对称型结构，抑制二次电子返流，收集极效率提升至74%以上，返流为0mA，从而可实现高效率、低返流的四级降压收集极。

有益效果：本发明提供的一种新一代导航卫星用L波段160W连续波长寿命、高效率、低失真低噪声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L波段高效率、低失真低噪声空间行波管，结构设计合理优良，采用高流通率双阳极电子枪，使整管寿命可达20年；高效率、低失真低噪声慢波电路；高效率、低螺流四级降压收集极。

实验检测结果表明，本发明涉及的一种L波段高效率、低失真低噪声空间行波管，其功率大于160W，整管效率大于67%，群时延在0.8ns以下，线性度谐波可控制在-20dBc以下，相移曲线单调且在40°以下，并且杂波抑制裕量优于-60dBc，寿命大于20年，具有良好的性能，较高的工作稳定性，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明提供的导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管的结构示意图。

图2为本发明提供的L波段空间行波管的双阳极电子枪结构示意图。

图3为本发明提供的L波段空间行波管的慢波电路结构示意图。

图4为本发明提供的L波段空间行波管的四级降压收集极结构示意图。

图5为本发明提供的L波段空间行波管的多次相速跳变的慢波电路模型示意图。

图6为本发明提供的L波段空间行波管的输出功率曲线图。

图7为本发明提供的L波段空间行波管的电子效率曲线图。

图8为本发明提供的L波段空间行波管的谐波抑制比曲线图。

图9为本发明提供的L波段空间行波管的相移曲线图。

图10为本发明提供的L波段空间行波管的AM/PM转换系数曲线图。

图11为本发明提供的L波段空间行波管的群时延波动曲线图。

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，一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L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焊接的慢波电路2，与慢波电路2焊接的四级降压收集极3；

所述的双阳极电子枪1包括波纹瓷环组合1-2，安装在波纹瓷环组合1-2上方的定位环1-1，安装在波纹瓷环组合1-2内部、定位环1-1下方的阳极二封接环1-3和阳极二1-16，阳极二封接环1-3和阳极二1-16焊接固定；安装在波纹瓷环组合1-2内部、阳极二封接环1-3下方的阳极一封接环1-4和阳极一1-15，阳极一封接环1-4和阳极一1-15焊接固定；安装在波纹瓷环组合1-2内部、阳极一封接环1-4下方的聚束极组合和聚束极封接环1-5，所述的聚束极组合由聚束极1-14和聚束极支撑筒1-6焊接固定，聚束极组合和聚束极封接环1-5焊接固定；安装在波纹瓷环组合1-2内部、聚束极封接环1-5下方的阴极封接环1-9、阴极热丝组件1-7和阴极支撑筒1-8；所述的阴极热丝组件1-7包括由阴极1-13和阴极筒1-12组成的阴极组件1-18和由热丝、热丝筒和一级刚玉粉组成的热丝组件1-19；所述的阴极热丝组件1-7和阴极支撑筒1-8焊接固定，阴极支撑筒1-8底部和阴极封接环1-9焊接固定；安装在波纹瓷环组合1-2底部的后盖封接环1-10和吸气剂1-17，所述的阴极支撑筒1-8下方设有屏蔽盖1-11，其中阴极直径为5mm.

所述的慢波电路2包括管壳2-1，通过夹持杆2-3安装在管壳2-1内的螺旋线2-2，与管壳2-1左端相连的输入输能组件2-5，与管壳2-1右端相连的输出输能组件2-6；所述的夹持杆2-3为三根等分在管壳2-1内，其中1根夹持杆2-3与管壳2-1之间夹有紧固片4；

所述的慢波电路2分为输入段及输出段，输入段和输出段中的夹持杆均设置有集中衰减器，输入段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为30mm，均匀段长度为10mm，输出段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为45mm，均匀段长度为15mm；所述的夹持杆衰减器是由正庚烷气体在大气压强20Pa以内真空中，通过900~1200℃高温裂解出碳附着并渗透到夹持杆内。

慢波电路2中螺旋线2-2采用正跳变~正渐变~正跳变~负渐变-负跳变的相速渐变结构；螺旋线内半径为2.3mm；螺旋线螺距大小分别1.18mm、1.37mm、1.4mm、1.12mm；

所述的四级降压收集极3包括收集极筒组件3-1，收集极瓷柱3-2；第一收集极芯3-3，第二收集极芯3-4，第三收集极芯3-5，第四收集极芯3-6，收集极尾盖瓷3-7和收集极尾盖3-8；四圈收集极瓷柱3-2均匀分布在收集极筒组件3-1的内部的固定槽内，四圈收集极瓷柱3-2从上到下依次卡住第一收集极芯3-3，第二收集极芯3-4，第三收集极芯3-5和第四收集极芯3-6，收集极尾盖瓷3-7焊于收集极尾盖3-8上，与收集极筒组件3-1相连；

所述的第四收集极芯3-6为斜口非对称型结构。

综上，本发明根据大量的CAD仿真计算与多次的结构设计和工艺优化，取得了以下技术进步：

1、增大阴极直径至5mm，在支取电流不变的情况下，选取超低阴极支取电流密度约0.52A/cm²，阴极负荷进一步降低，阴极寿命余量更大，进而提高整管寿命。采用双阳极电子枪结构，增加阳极电压对总电流的调控能力，实现了高可靠及长寿命的电子枪，整管寿命可达20年。

2、通过优化夹持杆衰减器匹配长度以及渗碳衰减器制备工艺，有效地抑制杂波，整管杂波裕量优于-60dBc。同时，充分采用相速跳变及相速渐变技术，有效抑制谐波，提升电子效率，并保证高线性度。实现了51%以上的电子效率，群时延0.8ns以下，线性度谐波可控制在-20dBc以下，相移35°以下，满足低失真低噪声的要求。除此之外，采用螺旋线表面覆铜工艺，进一步提高了电子效率。

3、通过不断优化各级电子光学尺寸及结构，第四极结构为斜口非对称型，实现了74%以上的收集极效率，返流为0mA，进而提升了整管效率。另外，采用磁挤压工艺，保证了收集极的可靠性，最终实现了高效率、低返流四级降压收集极。

4、通过对电子枪、慢波电路和四级降压收集极大量的优化设计以及试验验证，最终本发明的L波段空间行波管整管效率达到了67%以上，群时延保证于0.8ns以下，线性度谐波控制在-20dBc以下，相移曲线单调且在40°以下，并且杂波抑制裕量优于-60dBc，寿命大于20年，性能优良，具有较高的工作稳定性，满足高效率、低失真低噪声的要求。

本发明提供的L波段160W高效率、低失真低噪声空间行波管，通过大量的仿真计算优化、结构改进以及试验验证，结构设计合理，可实现高效率，低螺流，低失真，低噪声，高可靠性及长寿命。本发明采用的高流通率双阳极电子枪，工作稳定，具备长寿命的特点，采用的螺旋线慢波电路，易于装配，通过相速渐变与相速跳变技术实现了高电子效率，采用的磁挤压四级降压收集极，易于生产及装配，达到了高效率、低返流的目的，最终实现了高效率、低失真、低噪声、低螺流、高可靠及长寿命导航卫星用的L波段160W空间行波管。

Claims (3)

1.一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L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）焊接的慢波电路（2），与慢波电路（2）焊接的四级降压收集极（3）；

所述的双阳极电子枪（1）包括波纹瓷环组合（1-2），安装在波纹瓷环组合（1-2）上方的定位环（1-1），安装在波纹瓷环组合（1-2）内部、定位环（1-1）下方的阳极二封接环（1-3）和阳极二（1-16），阳极二封接环（1-3）和阳极二（1-16）焊接固定；安装在波纹瓷环组合（1-2）内部、阳极二封接环（1-3）下方的阳极一封接环（1-4）和阳极一（1-15），阳极一封接环（1-4）和阳极一（1-15）焊接固定；安装在波纹瓷环组合（1-2）内部、阳极一封接环（1-4）下方的聚束极组合和聚束极封接环（1-5），所述的聚束极组合由聚束极（1-14）和聚束极支撑筒（1-6）焊接固定，聚束极组合和聚束极封接环（1-5）焊接固定；安装在波纹瓷环组合（1-2）内部、聚束极封接环（1-5）下方的阴极封接环（1-9）、阴极热丝组件（1-7）和阴极支撑筒（1-8）；所述的阴极热丝组件（1-7）包括由阴极（1-13）和阴极筒（1-12）组成的阴极组件（1-18）和由热丝、热丝筒和一级刚玉粉组成的热丝组件（1-19）；所述的阴极热丝组件（1-7）和阴极支撑筒（1-8）焊接固定，阴极支撑筒（1-8）底部和阴极封接环（1-9）焊接固定；安装在波纹瓷环组合（1-2）底部的后盖封接环（1-10）和吸气剂（1-17），所述的阴极支撑筒（1-8）下方设有屏蔽盖（1-11），其中阴极直径为5mm.

所述的慢波电路（2）包括管壳（2-1），通过夹持杆（2-3）安装在管壳（2-1）内的螺旋线（2-2），与管壳（2-1）左端相连的输入输能组件（2-5），与管壳（2-1）右端相连的输出输能组件（2-6）；所述的夹持杆（2-3）为三根等分在管壳（2-1）内，其中1根夹持杆（2-3）与管壳（2-1）之间夹有紧固片（4）；

所述的慢波电路（2）分为输入段及输出段，输入段和输出段中的夹持杆均设置有集中衰减器，输入段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为30mm，均匀段长度为10mm，输出段夹持杆衰减器为高斯分布，渐变段长度为45mm，均匀段长度为15mm；

慢波电路（2）中螺旋线（2-2）采用正跳变~正渐变~正跳变~负渐变-负跳变的相速渐变结构；螺旋线内半径为2.3mm；螺旋线螺距大小分别1.18mm、1.37mm、1.4mm、1.12mm；

所述的四级降压收集极（3）包括收集极筒组件（3-1），收集极瓷柱（3-2）；第一收集极芯（3-3），第二收集极芯（3-4），第三收集极芯（3-5），第四收集极芯（3-6），收集极尾盖瓷（3-7）和收集极尾盖（3-8）；四圈收集极瓷柱（3-2）均匀分布在收集极筒组件（3-1）的内部的固定槽内，四圈收集极瓷柱（3-2）从上到下依次卡住第一收集极芯（3-3），第二收集极芯（3-4），第三收集极芯（3-5）和第四收集极芯（3-6），收集极尾盖瓷（3-7）焊于收集极尾盖（3-8）上，与收集极筒组件（3-1）相连；

所述的第四收集极芯（3-6）为斜口非对称型结构。

2.根据权利权利要求1所述的一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管，其特征在于，慢波电路（2）中螺旋线（2-2）表面经过磁控溅射铜处理；具体工艺为抽真空到10^-3Pa，然后加热到300℃，通过射频功率输入进行射频清洗，然后通过预溅射去除靶材表面的氧化物，最后通过溅射镀膜对表面进行薄膜沉积得到溅射镀膜。

3.根据权利权利要求1所述的一种导航卫星用长寿命、高效率、低失真L波段空间行波管，其特征在于，所述的夹持杆集中衰减器是由正庚烷气体在大气压强20Pa以内真空中，通过900~1200℃高温裂解出碳附着并渗透到夹持杆内制得。

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