CN111063593B - 一种x波段900w脉冲空间行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段900W脉冲空间行波管，包括无截获栅控电子枪，与无截获栅控电子枪相连的慢波电路，与慢波电路相连的四级降压收集极；所述慢波电路包括管壳，设置在管壳的磁系统，通过夹持杆设置在管壳内的螺旋线，与管壳一端相连的输入输能系统，与管壳另一端相连的输出输能系统；所述夹持杆为三根，均匀设置在管壳内夹持螺旋线外圆；位于输出段的螺旋线先增加锥形螺旋线的螺距，后再减小锥形螺旋线的螺距。本发明脉冲功率大于940W，整管效率大于54％，群时延波动在2ns以下，二次谐波及三次谐波在‑20dB以下，具有较高的工作稳定性。

Description

一种X波段900W脉冲空间行波管

技术领域

本发明属于行波管技术，具体为一种X波段900W脉冲空间行波管。

背景技术

X频段脉冲空间行波管产品主要用于星载合成孔径雷达(SAR)，通过功率合成技术，满足卫星探测距离远、成像分辨率高的要求，推动我国卫星安全系统在国防的应用。星载合成孔径雷达(SAR)以卫星为载体平台来获得高分辨率雷达图像。星载SAR应用于国土测量、地形测绘、资源勘探和军事侦察等领域。星载SAR具有高度高、可视范围大；全天候，不受气象条件限制；轨道稳定，多次成像重复性好等优点。

但是现有的X频段脉冲空间行波管存在总效率低，可靠性差和散热性能差等不足。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种X波段900W脉冲空间行波管。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种X波段900W脉冲空间行波管，包括无截获栅控电子枪，与无截获栅控电子枪相连的慢波电路，与慢波电路相连的四级降压收集极；

所述慢波电路包括管壳，设置在管壳的磁系统，通过夹持杆设置在管壳内的螺旋线，与管壳一端相连的输入输能系统，与管壳另一端相连的输出输能系统；所述夹持杆为三根，均匀设置在管壳内夹持螺旋线；位于输出段的螺旋线先增加锥形螺旋线的螺距，后再减小锥形螺旋线的螺距。

优选地，所述无截获栅控电子枪包括定位环，设置在定位环上的瓷环，固定在瓷环内部的栅极封接环以及阴极封接环，设置在瓷环一端的后盖封接环，设置在栅极封接环上的控制栅组合，设置在阴极封接环上的荫影栅组合，设置在阴极封接环内部的枪芯组合；所述阴极封接环位于栅极封接环上方。

优选地，所述瓷环包括第一波纹瓷环，设置在第一波纹瓷环上的堆叠的2个第二波纹瓷环，所述栅极封接环固定在第一波纹瓷环和第二波纹瓷环之间，所述阴极封接环固定在2个第二波纹瓷环之间。

优选地，所述第一波纹瓷环高度为8～8.05mm，第二波纹瓷环高度为4～4.05mm。

优选地，所述四级降压收集极包括焊接环，与焊接环钎焊焊接的收集极壳，在收集极壳另一端焊接的收集极封接环，焊接在收集极壳内部的收集极瓷环，焊接在收集极瓷环内部的第一收集极、第二收集极、第三收集极和第四收集极，采用氩弧焊焊接在收集极封接环上的收集极后盖；钎焊焊接在收集极后盖上的四个收集极瓷柱组合和排管；所述第一收集极、第二收集极、第三收集极和第四收集极与四个收集极瓷柱组合一一对应连接；所述第一收集极、第二收集极、第三收集极和第四收集极间设置瓷材料，进行绝缘。

优选地，所述第一收集极入口直径为Φ2.5mm，距离焊接环端面-0.42mm，第二收集极入口直径为Φ6.8mm，距离焊接环端面2.55mm，第三收集极入口直径为Φ7mm，距离焊接环端面9.57mm，第四收集极入口直径为Φ8.6mm，距离焊接环端面16.06mm。

优选地，位于输出段的螺旋线螺距由0.72mm渐变到0.85mm，再由0.85mm渐变到0.65mm。

优选地，所述磁系统为均匀设置在管壳上的圆环。

优选地，面压缩比为25，电子注填充比为0.5。

优选地，磁系统周期6.6mm和磁系统磁场值由2600GS渐变到3200Gs，使螺旋线截获电流小于4mA。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用无截获栅控电子枪，通过选取合理的电子枪参数，优化电子枪电极的形状和距离，得到了层流性好、脉动小的电子注；本发明中慢波电路采用了多次渐变和变内径螺旋线提高电子效率；本发明通过设计合理的磁聚焦系统周期和磁场值，使螺旋线截获电流尽可能小，提高行波管效率和可靠性；本发明脉冲功率大于940W，整管效率大于54％，群时延波动在2ns以下，二次谐波及三次谐波在-20dB以下，具有较高的工作稳定性。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的栅控电子枪结构示意图。

图3为本发明的慢波电路结构示意图。

图4为本发明的四级降压收集极结构示意图。

图5为本发明的慢波电路模型示意图。

图6为本发明的输入驻波曲线图。

图7为本发明的四级降压收集极功耗图。

具体实施方式

一种X波段900W脉冲空间行波管，包括无截获栅控电子枪1，与无截获栅控电子枪相连的高效率慢波电路2，与慢波电路相连的高效率、散热性能好的四级降压收集极3；

所述无截获栅控电子枪1包括定位环1-1，设置在定位环上的瓷环，固定在瓷环内部的栅极封接环1-3以及阴极封接环1-5，设置在瓷环一端的后盖封接环1-6，设置在栅极封接环1-3上的控制栅组合1-7，设置在阴极封接环1-5上的荫影栅组合1-8，设置在阴极封接环1-5内部的枪芯组合1-9；所述阴极封接环1-5位于栅极封接环1-3上方；

所述瓷环包括第一波纹瓷环1-2，设置在第一波纹瓷环1-2上的堆叠的2个第二波纹瓷环1-4，所述栅极封接环1-3固定在第一波纹瓷环1-2和第二波纹瓷环1-4之间，所述阴极封接环1-5固定在2个第二波纹瓷环1-4之间。第一波纹瓷环1-2高度为8～8.05mm，第二波纹瓷环1-4高度为4～4.05mm，两种波纹瓷环采用波纹结构增大绝缘路径，保证整管可靠性。

所述高效率慢波电路2包括管壳2-1，设置在管壳2-1的磁系统2-2，通过夹持杆2-3设置在管壳2-1内的螺旋线2-4，与管壳2-1一端相连的输入输能系统2-5，与管壳2-1另一端相连的输出输能系统2-6；所述夹持杆2-3为三根，均匀设置在管壳2-1内夹持螺旋线2-4外圆；位于输出段的螺旋线2-4先增加锥形螺旋线的螺距，螺距由0.72mm渐变到0.85mm，后再减小锥形螺旋线的螺距，螺距由0.85mm渐变到0.65mm。

进一步的实施例中，所述磁系统为均匀设置在管壳2-1上的圆环。

所述高效率、散热性能好的四级降压收集极3包括焊接环3-1，与焊接环3-1钎焊焊接的收集极壳3-2，在收集极壳3-2另一端焊接的收集极封接环3-3，焊接在收集极壳3-2内部的收集极瓷环3-4，焊接在收集极瓷环3-4内部的第一收集极3-5、第二收集极3-6、第三收集极3-7和第四收集极组合3-8，采用氩弧焊焊接在收集极封接环3-3上的收集极后盖3-9；钎焊焊接在收集极后盖3-9上的四个收集极瓷柱组合3-10和排管3-11；所述第一收集极3-5、第二收集极3-6、第三收集极3-7和第四收集极组合3-8与四个收集极瓷柱组合3-10一一对应连接。所述第一收集极3-5、第二收集极3-6、第三收集极3-7和第四收集极组合3-8间设置瓷材料，进行绝缘。所述排管3-11用于封装时抽真空，抽完真空后直接密封。

所述无截获栅控电子枪进行电子光学设计时，面压缩比M和电子注填充比b/a这两个值是影响电子光学性能以及层流性的关键因素，也是空间行波管电子枪设计时需重点权衡考虑的。面压缩比越小，则电子光学层流性越好，电子注脉动越小，但带来的问题则是在相同的电子注直径下，阴极直径需选取的更小，这也意味着阴极支取电流密度越大，阴极负荷越重，从而阴极寿命会受到影响。反之，面压缩比越大，对电子枪的设计提出了更高要求，而优点则是保证了阴极小的电流支取密度，有利于实现长寿命。电子注流通率和电子效率的高低与b/a的取值有着直接的关系。b/a的取值过小，有利于电子注流通率的提高，但不利于电子效率的提高，b/a的取值过大，则相反。通过选取压缩比为25，b/a选取为0.5，并利用TWTC软件仿真，得到了层流性好、脉动小的电子注，为注波互作用奠定了基础；

所述慢波电路采用锥形螺旋线、品字形BN夹持杆、复合管壳。BN材料具有较小的介质损耗，其优点是同等条件下可以得到更高的电子效率。慢波电路采用过盈装配保证螺旋线、品字形BN夹持杆和管壳之间的结合紧密，提高慢波电路散热性能保证脉冲空间行波管可靠性。在慢波电路的螺旋线设计中，采用了多次渐变变内径螺旋线技术，即在行波管输出段的开始部分先增加锥形螺旋线的螺距，然后再减小锥形螺旋线的螺距，该方法大大地提高了电子效率同时又可以抑制整管的非线性畸变；

所述慢波电路上安装的磁系统采用周期永磁聚焦系统达到使电子注聚焦的目的，该脉冲空间行波管的磁系统从体积、效率方面考虑，选用优良特性的永磁材料来克服恶劣的航天使用环境。通过设计磁系统周期6.6mm和磁系统磁场值由2600GS渐变到3200Gs，使螺旋线截获电流小于4mA，提高行波管效率和可靠性；

所述慢波电路上安装的输能系统，输入输能采用SMA同轴输入，输出采用波导输能系统，输入窗采用瓷柱同轴结构，输出窗采用瓷片盒形窗结构，结构设计耐冲击，耐振动，抗力学性能好，可靠性高。通过设计低电压驻波比的输能系统，减少传输损耗，提高电子效率；

所述四级降压收集极采用热挤压焊接结构，通过优化各电极入口直径及距离，得到高效率四级降压收集极。第一收集极入口直径为Φ2.5mm，距离焊接环3-1端面为-0.42mm，第二收集极入口直径为Φ6.8mm，距离焊接环3-1端面为2.55mm，第三收集极入口直径为Φ7mm，距离焊接环3-1端面为9.57mm，第四收集极入口直径为Φ8.6mm，并采用斜口设计，提高收集效率，距离焊接环3-1端面为16.06mm。四级降压收集极设计保证各级绝缘及耐压，收集极磁屏与收集极外筒、收集极瓷环及各电极采用一体式钎焊，并设计专用焊接模具在焊接的同时进行热挤压，使收集极内外零件之间接触紧密，减小热阻，提高散热性能。

本发明的主要参数及非线性测试结果如下表所示：

表1

本发明进行了鉴定级力学和热学试验，试验前后数据对比如下表所示。从测试数据看出产品试验前后性能一致，证明产品抗力学性能和抗热学性能较好，满足用户使用要求。

表2试验前后性能对照表

本发明采用无截获栅控电子枪，通过选取合理的电子枪参数，优化电子枪电极的形状和距离，得到了层流性好、脉动小的电子注，为注波互作用奠定了基础；慢波电路采用了多次渐变和变内径螺旋线提高电子效率；通过设计合理的磁聚焦系统周期和磁场值，使螺旋线截获电流尽可能小，提高行波管效率和可靠性；设计低电压驻波比的输能系统，减少传输损耗；采用高效率四级降压收集极。

本发明脉冲功率大于940W，整管效率大于54％，群时延波动在2ns以下，二次谐波及三次谐波在-20dB以下，具有较高的工作稳定性。

Claims (9)

1.一种X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，包括无截获栅控电子枪(1)，与无截获栅控电子枪相连的慢波电路(2)，与慢波电路(2)相连的四级降压收集极(3)；

所述慢波电路(2)包括管壳(2-1)，设置在管壳(2-1)的磁系统(2-2)，通过夹持杆(2-3)设置在管壳(2-1)内的螺旋线(2-4)，与管壳(2-1)一端相连的输入输能系统(2-5)，与管壳(2-1)另一端相连的输出输能系统(2-6)；所述夹持杆(2-3)为三根，均匀设置在管壳(2-1)内夹持螺旋线(2-4)外圆；位于输出段的螺旋线(2-4)先增加锥形螺旋线的螺距，后再减小锥形螺旋线的螺距；所述无截获栅控电子枪(1)包括定位环(1-1)，设置在定位环上的瓷环，固定在瓷环内部的栅极封接环(1-3)以及阴极封接环(1-5)，设置在瓷环一端的后盖封接环(1-6)，设置在栅极封接环(1-3)上的控制栅组合(1-7)，设置在阴极封接环(1-5)上的荫影栅组合(1-8)，设置在阴极封接环(1-5)内部的枪芯组合(1-9)；所述阴极封接环(1-5)位于栅极封接环(1-3)上方。

2.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，所述瓷环包括第一波纹瓷环(1-2)，设置在第一波纹瓷环(1-2)上的堆叠的2个第二波纹瓷环(1-4)，所述栅极封接环(1-3)固定在第一波纹瓷环(1-2)和第二波纹瓷环(1-4)之间，所述阴极封接环(1-5)固定在2个第二波纹瓷环(1-4)之间。

3.根据权利要求2所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，所述第一波纹瓷环(1-2)高度为8～8.05mm，第二波纹瓷环(1-4)高度为4～4.05mm。

4.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，所述四级降压收集极(3)包括焊接环(3-1)，与焊接环(3-1)钎焊焊接的收集极壳(3-2)，在收集极壳(3-2)另一端焊接的收集极封接环(3-3)，焊接在收集极壳(3-2)内部的收集极瓷环(3-4)，焊接在收集极瓷环(3-4)内部的第一收集极(3-5)、第二收集极(3-6)、第三收集极(3-7)和第四收集极(3-8)，采用氩弧焊焊接在收集极封接环(3-3)上的收集极后盖(3-9)；钎焊焊接在收集极后盖(3-9)上的四个收集极瓷柱组合(3-10)和排管(3-11)；所述第一收集极(3-5)、第二收集极(3-6)、第三收集极(3-7)和第四收集极(3-8)与四个收集极瓷柱组合(3-10)一一对应连接；所述第一收集极(3-5)、第二收集极(3-6)、第三收集极(3-7)和第四收集极(3-8)间设置瓷材料，进行绝缘。

5.根据权利要求4所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，所述第一收集极入口直径为Φ2.5mm，距离焊接环(3-1)端面-0.42mm，第二收集极入口直径为Φ6.8mm，距离焊接环(3-1)端面2.55mm，第三收集极入口直径为Φ7mm，距离焊接环(3-1)端面9.57mm，第四收集极入口直径为Φ8.6mm，距离焊接环(3-1)端面16.06mm。

6.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，位于输出段的螺旋线(2-4)螺距由0.72mm渐变到0.85mm，再由0.85mm渐变到0.65mm。

7.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，所述磁系统为均匀设置在管壳(2-1)上的圆环。

8.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，面压缩比为25，电子注填充比为0.5。

9.根据权利要求1所述的X波段900W脉冲空间行波管，其特征在于，磁系统周期6.6mm和磁系统磁场值由2600Gs渐变到3200Gs，使螺旋线截获电流小于4mA。

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