CN111223733B - 一种分米波段空间行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分米波段空间行波管，包括聚焦极控制单阳极电子枪、与聚焦极控制单阳极电子枪相连的慢波电路，与慢波电路连接的输入输能系统、输出输能系统和四级降压收集极，其中，慢波电路包括输入段以及与输入段连接的输出段；输入段和输出段均包括外导体、与外导体相连的极靴、设置在相邻的两个极靴间的连接环、安装在极靴、连接环内部的夹持杆及通过夹持杆安装在极靴、连接环内部的螺旋线，螺旋线具体为动态相速渐变结构，且在动态相速渐变结构分布螺距上添加一段均匀螺距。本发明通过相速渐变，采用螺距“凹槽”结构，实现高电子效率的同时，在实现220W输出功率、40％电子效率的同时，谐波控制在‑18dBc以下，相移控制在40°以下。

Description

一种分米波段空间行波管

技术领域

本发明属于行波管技术，具体为一种分米波段空间行波管。

背景技术

随着固态器件核心技术的不断突破，对真空电子器件的竞争力明显提高，尤其在低频段其体积小、重量轻、集成稳定性强等的特点更具优势。国内还未开展深入的大功率分米波段空间行波管的研究。为了进一步提高空间行波管与分米波段固态器件的竞争力，满足导航卫星快速发展的需求，很有必要开发一种高效率、大功率、高线性度和低噪声的分米波段空间行波管。

目前国内成熟的分米波段空间行波管功率量级为134W、137W、157W，尚未出现功率大于220W的分米波段空间行波管。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种分米波段空间行波管。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分米波段空间行波管，包括聚焦极控制单阳极电子枪、与聚焦极控制单阳极电子枪相连的慢波电路，与慢波电路连接的输入输能系统、输出输能系统和四级降压收集极，其中，所述慢波电路包括输入段以及与输入段连接的输出段；所述输入段和输出段关于连接点左右对称，所述输入段和输出段均包括外导体、与外导体相连的极靴、设置在相邻的两个极靴间的连接环、安装在极靴、连接环内部的夹持杆2-5及通过夹持杆2-5安装在极靴、连接环内部的螺旋线，所述螺旋线具体为动态相速渐变结构，且在动态相速渐变结构分布螺距上添加一段均匀螺距。

优选地，所述聚焦极控制单阳极电子枪包括瓷环，设置在瓷环一端的电子枪磁屏；设置在瓷环另一端的尾盖封接环；设置在瓷环内部、电子枪磁屏下方的阳极封接环和阳极，阳极与阳极封接环内部的台阶进行配合并焊接固定；设置在瓷环内部、阳极封接环下方的聚焦极筒和聚焦极、聚焦极封接环，聚焦极与聚焦极筒内部的台阶配合焊接固定，并焊接固定在聚焦极封接环上；设置在聚焦极下方的阴极热丝和设置在阴极热丝外部的阴极筒，配合在阴极筒外部的第一支撑筒，配合在第一支撑筒外部的第二支撑筒，设置第二支撑筒下方的第三支撑筒，设置第三支撑筒外部的封接环。

优选地，所述输入输能系统包括输入输能窗，设置在输入输能窗外部的输入窗套，设置在输入输能窗上方、输入窗套内部的输入内导体，设置在输入内导体上方、输入窗套内部的输入介质。

优选地，所述输出输能系统包括输出输能窗，设置在输出输能窗外部的输出窗套，设置在输出输能窗上方、输出窗套内部的填充介质，设置在输出输能窗上方、填充介质内部的输出内导体，设置在填充介质上方，输出内导体外部的输出介质。

优选地，所述四级降压收集极包括瓷柱组合，设置在瓷柱组合底部的第四收集极底，设置在瓷柱组合内部、第四收集极底上方的第四收集极座，设置在瓷柱组合内部、第四收集极座上方的第三收集极，设置在瓷柱组合内部、第三收集极上方的第二收集极，设置在瓷柱组合内部、第二收集极上方的第一收集极。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过减小径向传播参量γa，使得整管的径向尺寸及轴向尺寸得到了大大降低，有效增大了耦合阻抗，实现40％以上的电子效率；2)通过相速渐变，采用螺距“凹槽”结构，实现高电子效率的同时，在实现220W输出功率、40％电子效率的同时，谐波控制在-18dBc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，采用钼铜材料电极，实现在40％的电子效率下，整管效率达到63％以上的水平，满足了高效率要求；4)本发明在保证低的电压驻波比和高的输出功率的前提下，通过在内外导体间使用介质材料阻断微放电自由电子迁移路径，实现了220W输出功率条件下微放电阀值＞8dB，大于工程应用要求的6dB要求。

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是本发明的结构示意图。

图2是电子枪结构示意图。

图3是慢波电路结构示意图。

图4是输入SMA结构示意图。

图5是输出TNC结构示意图。

图6是四级降压收集极示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种分米波段空间行波管，包括聚焦极控制单阳极电子枪1，与聚焦极控制单阳极电子枪1相连的慢波电路2，与慢波电路2连接的输入输能系统3、输出输能系统4和四级降压收集极5。

如图2所示，所述聚焦极控制单阳极电子枪1包括瓷环1-2，设置在瓷环1-2一端的电子枪磁屏1-1；设置在瓷环1-2另一端的尾盖封接环1-7；设置在瓷环1-2内部、电子枪磁屏1-1下方的阳极封接环1-3和阳极1-8，阳极1-8通过和阳极封接环1-3内部的台阶进行配合并焊接固定；设置在瓷环1-2内部、阳极封接环1-3下方的聚焦极筒1-4和其内部的聚焦极1-9通过台阶配合后焊接固定，之后再和外部的聚焦极封接环1-5焊接固定；

设置在聚焦极1-9下方的阴极热丝1-10和配合在阴极热丝1-10外部的阴极筒1-12焊接固定后，在与配合在阴极筒1-12外部的第一支撑筒1-13在尾部焊接固定，之后再和配合在第一支撑筒1-13外部的支撑筒二1-14固定焊接，形成组件后和支撑筒二1-14下方的支撑筒1-15焊接固定，最终再和支撑筒1-15外部的封接环1-6焊接固定。

所述瓷环1-2的内外表面均为波纹状，所述电子枪磁屏1-1为刀锋结构。

本发明的聚焦极控制单阳极电子枪1有以下优点：

1、通过优化阴极直径为4.5mm，曲率为8.6mm，可以获得大电流、低注径比、高层流性电子注；

2、瓷环的波纹状设计可以进一步增大绝缘，保证大功率及高电压下的绝缘需求；

3、电子枪磁屏1-1为刀锋结构，进一步提高了焊接可靠性，同时减小焊接对陶瓷封接处的热冲击。

所述慢波电路2包括输入段2-7以及与输入段2-7连接的输出段2-8；所述输入段2-7和输出段2-8关于连接点左右对称，所述输入段2-7和输出段2-8均包括外导体2-1、与外导体2-1相连的极靴2-2、设置在相邻的两个极靴2-2间的连接环2-3、安装在极靴2-2、连接环2-3内部的夹持杆2-5及通过夹持杆2-5安装在极靴2-2、连接环2-3内部的螺旋线2-4。螺旋线2-4的径向传播常数γa为0.8-0.85，所述螺旋线2-4具体为在动态相速渐变结构的分布螺距上再添加一段均匀螺距，其添加的均匀螺距值小于所在螺距段的均匀螺距。夹持杆2-5为扇形氧化铍夹持杆。

所述输入段2-7和输出段2-8下方均设有散热片2-6。

本发明的慢波电路2有以下优点：

1、采用扇形氧化铍夹持杆2-5和厚度为0.4mm的螺旋线2-4，增强慢波电路散热；

2、整个慢波电路除切断氩弧焊处均加散热片2-6，进一步增强散热；

3、对大功率产品选取较小的范围为0.8-0.85的γa，在保证工作稳定性的情况下提高电子效率；

4、开展分米波段空间行波管谐波抑制技术研究，通过添加螺距“凹槽”进一步抑制谐波。采用动态相速渐变结构在获得更高电子效率的同时，会导致输出信号的高次谐波分量增大，对窄带行波管来说，尤其是二次谐波分量影响较大。因此，采用在螺旋线加“螺距凹槽”的设计思路对高次谐波进行抑制。所谓螺距“凹槽”即在普通动态相速渐变结构的分布螺距上再添加一段均匀螺距，其螺距值一般小于所在螺距段的均匀螺距，如同加入了一段凹槽。螺距“凹槽”改变了行波管的螺距分布，使得沿螺旋线传播的电磁信号的相速也发生改变，继而改变了行波管注波同步状态。其中本发明螺距“凹槽”添加在输出段2-8，且“凹槽”螺距比均匀螺距小0.1mm。经过优化选取，加螺距“凹槽”后二次谐波由-13dBc降低至-22dBc，同时二次谐波转化为基波，大大提高了电子效率。

本发明的慢波电路可实现40％的电子效率。线性度谐波可控制在-18dBc以下，相移40°以下，群时延1.5ns以下。

所述输入输能系统3包括输入输能窗3-4，安装在输入输能窗3-4外部的输入窗套3-1，安装在输入输能窗3-4上方、输入窗套3-1内部的输入内导体3-3，安装在输入内导体3-3上方、输入窗套3-1内部的输入介质3-2，输入窗套3-1、输入介质3-2、输入内导体3-3、输入输能窗3-4为组装固定，可拆卸。

本发明的输入输能系统3有以下优点：

1、结构简单、易装配，在管外也易返修替换；

2、具有低驻波比高可靠特点，频带内输入冷驻波小于1.2。

所述输出输能系统包括：输出输能窗4-5，安装在输出输能窗4-5外部的输出窗套4-1，安装在输出输能窗4-5上方、输出窗套4-1内部的填充介质4-4，安装在输出输能窗4-5上方、填充介质4-4内部的输出内导体4-3，安装在填充介质4-4上方，输出内导体4-3外部的输出介质4-2。输出窗套4-1、输出介质4-2、输出内导体4-3、填充介质4-4、输出输能窗4-5为组装固定，可拆卸。所述填充介质为聚四氟乙烯。

本发明的输出输能系统4有以下优点：

1、结构简单、易装配，在管外也易返修替换；

2、具有低驻波比高可靠特点，频带内输入冷驻波小于1.2；

3、在保证低的电压驻波比和高的输出功率的前提下，通过在输出外导体4-3和输出窗套4-1之间使用材料为聚四氟乙烯的填充介质4-4阻断微放电自由电子迁移路径，同实现220W输出功率条件下微放电阀值＞8dB，大于工程应用要求的6dB要求。

所述四级降压收集极5包括瓷柱组合5-6，安装在瓷柱组合5-6底部的第四收集极底5-5，安装在瓷柱组合5-6内部、第四收集极底5-5上方的第四收集极座5-4，安装在瓷柱组合5-6内部、第四收集极座5-4上方的第三收集极5-3，安装在瓷柱组合5-6内部、第三收集极5-3上方的第二收集极5-2，安装在瓷柱组合5-6内部、第二收集极5-2上方的第一收集极5-1。第一收集极5-1、第二收集极5-2、第三收集极5-3、第四收集极座5-4、第四收集极底5-5的固定方式为电极卡在瓷柱组合5-6卡槽中，并且采用磁挤压工艺使收集极各电极间保持牢固。

所述第一收集极5-1、第二收集极5-2、第三收集极5-3、第四收集极座5-4、第四收集极底5-5为钼铜材料。

本发明的四级降压收集极5有以下优点：

1、第一收集极5-1、第二收集极5-2、第三收集极5-3、第四收集极座5-4、第四收集极底5-5采用钼铜材料电极代替原有的无氧铜材料，降低二次电子发射系数。二次电子发射系数由1.3降低为0.9，大大降低了二次电子返流。

2、采用锯齿状尖锥结构5-5提高收集极效率，同时可大大减小收集极长度。

本发明采用聚焦极控制单阳极电子枪，在大功率要求下通过设置离子阱200V以上，同时降低注径比至0.45，获得高层流性电子注，采用螺旋线慢波结构，结合动态相速渐变技术和CAD技术提高电子效率，针对分米波段二次谐波抑制比设计难度大的问题，采用输出螺旋线加螺距“凹槽”的相速跳变方式有效抑制二次谐波等其他非线性指标，同时满足高效率需求；在保证低的电压驻波比和高的输出功率的前提下，通过在内外导体间使用介质材料阻断微放电自由电子迁移路径，同时利用微放电效应仿真软件EC MultipactorCalculator设计高微放电阀值输出输能结构，扩大输出内导体4-3与输出窗套4-1之间的间隙至30mm以上，得到一种微放电裕量大于8dB适用于220W输出功率的输出输能系统；采用四级降压收集极提高整管效率，通过采用非对称结构和使用钼铜材料作为电极材料降低二次电子发射系数减小返流。

本发明功率大于220W，动态流通率在98.5％以上，整管效率大于63％，群时延波动在1.5ns以下，饱和点相移小于40°，二次谐波及三次谐波在-18dB以下，寿命大于15年，具有较高的工作稳定性。

本发明实现了大功率、高效率、高线性度和低噪声。本发明采用聚焦极控制单阳极电子枪，在大功率要求下通过优化电子枪电子光学结构设置合适的离子阱，同时降低注径比，获得高层流性电子注，采用螺旋线慢波结构，对设计参数进行优化选取，通过选取较小的γa获得较高的耦合阻抗，结合动态相速渐变技术和CAD技术提高电子效率，同时针对分米波段二次谐波抑制比设计难度大的问题，采用可以有效抑制二次谐波的相速跳变方式优化谐波等其他非线性指标，同时满足高线性化需求；在保证低的电压驻波比和高的输出功率的前提下，通过在内外导体间使用介质材料阻断微放电自由电子迁移路径，同时结合CAD技术，设计高微放电阀值输出输能结构；采用四级降压收集极提高整管效率，通过第四收集极座5-4为非对称结构和使用钼铜材料作为电极材料降低二次电子发射系数减小返流。本发明提供的高效率大功率分米波段空间行波管性能优越，创新性强，是一种可适用于导航卫星和通信卫星等卫星平台应用的空间行波管，其功率大于220W，动态流通率在98.5％以上，整管效率大于63％，群时延波动在1.5ns以下，饱和点相移小于40°，二次谐波及三次谐波在-18dB以下，设计寿命大于15年，具有较高的工作稳定性。

Claims (8)

1.一种分米波段空间行波管，其特征在于，包括聚焦极控制单阳极电子枪（1）、与聚焦极控制单阳极电子枪（1）相连的慢波电路（2），与慢波电路（2）连接的输入输能系统（3）、输出输能系统（4）和四级降压收集极（5），其中，所述慢波电路（2）包括输入段（2-7）以及与输入段（2-7）连接的输出段（2-8）；所述输入段（2-7）和输出段（2-8）关于连接点左右对称，所述输入段（2-7）和输出段（2-8）均包括外导体（2-1）、与外导体（2-1）相连的极靴（2-2）、设置在相邻的两个极靴（2-2）间的连接环（2-3）、安装在极靴（2-2）、连接环（2-3）内部的夹持杆（2-5）及通过夹持杆（2-5）安装在极靴（2-2）、连接环（2-3）内部的螺旋线（2-4），所述螺旋线（2-4）具体为动态相速渐变结构，且在动态相速渐变结构分布螺距上添加一段均匀螺距，添加的均匀螺距值小于所在螺距段的均匀螺距，所述螺旋线（2-4）的径向传播常数γa为0.8-0.85。

2.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述聚焦极控制单阳极电子枪（1）包括瓷环（1-2），设置在瓷环（1-2）一端的电子枪磁屏（1-1）；设置在瓷环（1-2）另一端的尾盖封接环（1-7）；设置在瓷环（1-2）内部、电子枪磁屏（1-1）下方的阳极封接环（1-3）和阳极（1-8），阳极（1-8）与阳极封接环（1-3）内部的台阶进行配合并焊接固定；设置在瓷环（1-2）内部、阳极封接环（1-3）下方的聚焦极筒（1-4）和聚焦极（1-9）、聚焦极封接环（1-5），聚焦极（1-9）与聚焦极筒（1-4）内部的台阶配合焊接固定，并焊接固定在聚焦极封接环（1-5）上；设置在聚焦极（1-9）下方的阴极热丝（1-10）和设置在阴极热丝（1-10）外部的阴极筒（1-12），设置在阴极热丝（1-10）内部的热丝（1-11），配合在阴极筒（1-12）外部的第一支撑筒（1-13），配合在第一支撑筒（1-13）外部的第二支撑筒（1-14），设置第二支撑筒（1-14）下方的第三支撑筒（1-15），设置第三支撑筒（1-15）外部的封接环（1-6）。

3.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述输入输能系统（3）包括输入输能窗（3-4），设置在输入输能窗（3-4）外部的输入窗套（3-1），设置在输入输能窗（3-4）上方、输入窗套（3-1）内部的输入内导体（3-3），设置在输入内导体（3-3）上方、输入窗套（3-1）内部的输入介质（3-2）。

4.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述输出输能系统（4）包括输出输能窗（4-5），设置在输出输能窗（4-5）外部的输出窗套（4-1），设置在输出输能窗（4-5）上方、输出窗套（4-1）内部的填充介质（4-4），设置在输出输能窗（4-5）上方、填充介质（4-4）内部的输出内导体（4-3），设置在填充介质（4-4）上方，输出内导体（4-3）外部的输出介质（4-2）。

5.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述四级降压收集极（5）包括瓷柱组合（5-6），设置在瓷柱组合（5-6）底部的第四收集极底（5-5），设置在瓷柱组合（5-6）内部、第四收集极底（5-5）上方的第四收集极座（5-4），设置在瓷柱组合（5-6）内部、第四收集极座（5-4）上方的第三收集极（5-3），设置在瓷柱组合（5-6）内部、第三收集极（5-3）上方的第二收集极（5-2），设置在瓷柱组合（5-6）内部、第二收集极（5-2）上方的第一收集极（5-1）。

6.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述输入段（2-7）和输出段（2-8）下方均设有散热片（2-6）。

7.根据权利要求1所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述聚焦极控制单阳极电子枪（1）离子阱200V以上，注径比为0.45。

8.根据权利要求4所述的分米波段空间行波管，其特征在于，所述输出内导体（4-3）与输出窗套（4-1）之间的间隙为30mm以上。

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