CN111414704A - 一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法。本发明针对注波互作用中常见的动态散焦问题，在保证输出功率满足要求的前提下，通过降低整个聚焦磁场和输出窗附近的磁场峰值，使得注波互作用过程中电子注产生的动态散焦问题得到了很好的抑制，有效减小了截获电流的产生，极大地提高了注波互作用的输出功率和整管效率。

Description

一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法。

背景技术

行波管是一种具有宽带宽、大功率、高效率、高增益的真空电子器件，也是卫星通信、电子对抗、雷达卫星等军事领域中重要的核心器件。高效率行波管可以从高电子效率和高收集极效率两个方面进行阐释，而这其中，电子注的动态散焦问题是是否能够实现高电子效率的重要因素之一。

根据行波管小信号理论的电子学方程和电子交变速度与高频电流的对应关系，高频场的频率特性会对电子注的群聚现象产生直接影响。在不同频率的场的作用下，电子的群聚密度不同，导致其所受空间电荷力不同，加之互作用末端的聚焦磁场难以匹配，很容易产生散焦。因此就目前而言，如何改善高效率行波管中电子注的动态散焦问题依旧是其设计难点之一。

磁聚焦系统作为行波管中重要的组成部分，其主要作用是形成、聚焦、传输电子注，使电子注的波动达到最小状态，实现最佳的注波互作用，所以磁聚焦系统的质量对行波管的效率、寿命等因素都具有直接影响。与此同时，合理减小磁聚焦系统的体积和重量对于行波管小型化也具有十分重要的意义。周期永磁聚焦系统具有体积小、重量轻、本身不消耗功率、杂乱磁场小等优点，现已被大量采用与中小功率行波管当中，是电子注聚焦的一种有效方法。

针对高频结构区间电子注的动态散焦问题，通常采用的抑制方法是增大周期聚焦磁场的每一个周期峰值，为了保证电子注的填充比保持在要求值以下，有时甚至会增大至布里渊磁场的两倍以上。这样的设计虽然保证了在高频结构的前段电子注的稳定，但是在高频结构的后段以及高频结构和收集极之间的漂移区，由于处在磁聚焦系统的边缘，材料的属性导致这里的聚焦磁场无法达到需求，进而电子注的动态散焦将难以抑制，产生较大的截获电流，降低整个行波管的工作效率。因此，探究一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场设计方法以满足行波管设计需求是亟需解决的问题。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明的目的在于提供一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法，以尽量降低对其他指标产生的影响为原则，尽可能抑制电子注动态散焦的问题，降低截获电流大小，以满足整个行波管的工作要求。

一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据目标行波管的工作电压、工作电流、螺线内径和电子注填充比参数计算出电子注的布里渊磁场，并根据行波管两个衰减器的结束位置将其高频结构区间划分为前、中、后三段。

S2、以第一块开口磁钢的中心为起点，每半个正弦周期设置一次磁场峰值，在高频结构的前段和中段，磁场峰值大小设置为S1计算所得布里渊磁场的1.5～1.7倍。然后在输出窗前后的4～5个磁场峰值则设置为1.7～1.9倍，对电子注进行抑制。设置完成后进行仿真，根据结果进行微调，微调的标准为保证在高频结构区间不产生截获电流。

为了防止该情况下有电子打在高频结构的内壁上产生截获电流，虽然在经过后续的微调之后可能会出现整体磁场峰值低于之前的情况，但在高频结构的后段，由于输出功率开始明显增加，电子受到的高频场的扰动增大，因此高频结构后段磁场的峰值需呈增加态势设置，使得整个高频结构总体的磁场趋势是上升的。

S3、在S2的设置基础上，对高频结构前段已设置的所有磁场峰值进行幅度为布里渊磁场的10％～12％降低；保持高频结构中段的磁场峰值不变，对高频结构后段的所有磁场峰值进行幅度呈指数分布y＝0.0725e^0.0875x的降低，最小的降幅不低于5％，最大的降幅不超过50％。y为下调幅度与布里渊磁场的比值，x为高频结构后段磁场峰值的编号，e为自然常数。

S4、查看S3调整之后的仿真结果：

若在满足输出功率要求的前提条件下，注型依旧保持在要求的半径值以下，记录每个磁场的峰值；若不满足该条件，则通过调整高频结构区间的磁场峰值进行调整和优化，并将仿真结果进行统计和对比，直至满足上述要求后，记录每个磁场的峰值。

最终记录的磁场峰值配比即为能够抑制动态散焦且不影响其他工作参数的磁场配比。

本发明的有益效果是：本发明针对注波互作用中常见的动态散焦问题提出了一种有效的抑制方法。在保证输出功率满足要求的前提下，通过降低整个聚焦磁场和输出窗附近的磁场峰值，使得注波互作用过程中电子注产生的动态散焦问题得到了很好的抑制，有效减小了截获电流的产生，极大地提高了注波互作用的输出功率和整管效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例中聚焦磁场的下调幅度折线图；

图3为实施例中螺旋线结构后半段指数式下调拟合曲线y＝0.0725e^0.0875x；

图4为实施例降压之前的输出功率分布图；

图5为实施例降压之前的截获电流分布图；

图6为实施例降压之前的低频的粒子轨迹分布图；

图7为实施例降压之前的中频的粒子轨迹分布图；

图8为实施例降压之前的高频的粒子轨迹分布图。

图9为实施例降压之后的输出功率分布图；

图10为实施例降压之后的截获电流分布图；

图11为实施例降压之后低频的粒子轨迹分布图；

图12为实施例降压之后中频的粒子轨迹分布图；

图13为实施例降压之后高频的粒子轨迹分布图。

具体实施方式

下面以一只L波段的螺旋线行波管为例，结合附图结果对本发明的技术方案进行详细阐述。

该注波互作用的仿真结果是利用国内电子科技大学研究开发的微波管仿真模拟套装MTSS中的注波互作用模块BWI计算得到的。

一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法，包括有以下步骤：

步骤(1)、如图1所示流程，根据目标L波段螺旋线行波管的工作电压、工作电流、螺线内径和电子注填充比，通过计算得出电子注的布里渊磁场；然后并根据行波管两个衰减器的结束位置将其高频结构区间划分为前(20个磁场峰值)、中(9个磁场峰值)和后(21个磁场峰值)三段。

步骤(2)、以第一块开口磁钢的中心为起点，每半个正弦周期设置一次磁场峰值，前段和中段的峰值大小设置为布里渊磁场的1.5～1.7倍。

本步骤设置的峰值并非线性增加，而是总体的趋势呈均匀或增加态势。这样设置的目的就是尽量将电子注的半径控制在电子注的填充比以下，保证在螺旋线的前段和中段不会因为动态散焦问题使注型变化到难以控制。也可以根据初步的粒子轨迹仿真结果，对各个峰值进行调整，但是不论增大还是减小，都必须满足将电子注的半径控制在电子注的填充比以下的原则，而在此前提之下，磁系统整体峰值的发展趋势必然呈均匀或增加态势。

为尽量保证输出窗附近不出现截获电流，输出窗周围的4～5个磁场峰值则需再次增大，大小在布里渊磁场的1.7～1.9倍之间。从此时的仿真结果图4-图8也可以看出，这样的设置已经基本能够保证高频结构区间没有产生截获电流，但是在高频结构和收集极之间的漂移区，由于处于磁聚焦系统的边缘，材料的自身属性决定了这里的峰值很难达到抑制电子注动态散焦所需，因此电子注的动态散焦问题将难以控制，导致部分电子打在了高频结构的内壁上，产生了较大的截获电流，进而影响到了输出功率，图6至图8中的实线为高频结构的内径。因此下一步要结合磁场的周期长度和图4所示的输出功率曲线，对后段的峰值进行调整。

步骤(3)、对高频结构前段的所有周期磁场的峰值进行如图2所示的降低，幅度为布里渊磁场的10％-12％；保持高频结构中段的磁场峰值不变，从输出功率开始有明显上升的位置开始，对后段磁场进行下降幅度如图3所示的指数分布y＝0.0725e^0.0875x降低，最小的降幅不低于5％，最大的降幅不超过50％。随后根据结果对部分磁场峰值进行调整和优化并对比，直至在满足了输出功率的同时注型保持平稳不发散。

由此得到了如图9-图13所示的仿真结果，分析结果可得到结论：在满足了输出功率要求的基本前提之下，该L波段螺旋线行波管的注波互作用部分截获电流基本为零，即使是在螺旋线和收集极之间的漂移区，电子注也依旧保持着较为良好的注型，基本没有产生截获电流。除此之外，从图11至图13的粒子轨迹可以看出，在螺旋线的中段区间，电子注的半径也严格小于电子注填充比，注型变化十分平缓，即便是在考虑到材料属性和工艺误差的前提下，这样的注型变化在输出窗附近也很难产生截获电流。

因此可以得出结论，采用本发明的聚焦磁场设计方法，能够有效抑制注波互作用过程中电子注的动态散焦问题，提高行波管的输出功率和工作效率，保证行波管的质量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示作出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种抑制高效率行波管动态散焦的聚焦磁场的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据目标行波管的工作电压、工作电流、螺线内径和电子注填充比参数计算出电子注的布里渊磁场，并根据行波管两个衰减器的结束位置将其高频结构区间划分为前、中、后三段。

S2、以第一块开口磁钢的中心为起点，每半个正弦周期设置一次磁场峰值，在高频结构的前段和中段，磁场峰值大小设置为S1计算所得布里渊磁场的1.5～1.7倍；然后在输出窗前后的4～5个磁场峰值则设置为1.7～1.9倍；设置完成后进行仿真，根据结果进行微调，微调的标准为保证在高频结构区间不产生截获电流。

S3、在S2的设置基础上，对高频结构前段已设置的所有磁场峰值进行幅度为布里渊磁场的10％～12％降低；保持高频结构中段的磁场峰值不变，对高频结构后段的所有磁场峰值进行幅度呈指数分布y＝0.0725e^0.0875x的降低，最小的降幅不低于5％，最大的降幅不超过50％；y为下调幅度与布里渊磁场的比值，x为高频结构后段磁场峰值的编号，e为自然常数。

S4、查看S3调整之后的仿真结果：

若在满足输出功率要求的前提条件下，注型依旧保持在要求的半径值以下，记录每个磁场的峰值；若不满足该条件，则通过调整高频结构区间的磁场峰值进行调整和优化，并将仿真结果进行统计和对比，直至满足上述要求后，记录每个磁场的峰值；

最终记录的磁场峰值配比即为能够抑制动态散焦且不影响其他工作参数的磁场配比。

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