CN112837981A - Ka波段高效率、轻重量空间行波管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ka波段高效率、轻重量空间行波管，它包括聚焦极控制双阳极电子枪（1）、与聚焦极控制双阳极电子枪（1）相连的慢波电路（2）、固定在慢波电路（2）外部的PPM磁聚焦系统、与慢波电路（2）相连的同轴输入和波导输出输能装置和四级降压收集极（5）；聚焦极控制双阳极电子枪（1）、慢波电路（2）、PPM磁聚焦系统（3）、同轴输入和波导输出输能装置（4）和四级降压收集极（5）均通过包装件（6）固定在底板（7）上。本发明结构设计合理，重量低于430g，功率大于20W，带宽2GHz，饱和点效率58%，输出功率回退1dB效率52%，相移曲线单调小于45度，三阶互调大于18.5dBc，具有优异的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种行波管，具体涉及一种结构设计合理，频带宽、饱和点效率高、线性区效率高、线性度号和重量轻的Ka波段20W连续波空间行波管。
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选择方案之一，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。由于火箭及卫星上可用能源和散热条件的限制，空间行波管必须具有高的能量转化效率和较轻的重量。同时对于应用于卫星的空间行波管，不仅要满足输出功率、增益的要求，同时还必须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诸多非线性参量的要求。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，因此对空间行波管的螺流和可靠性提出了苛刻的要求。
本发明提供一种Ka波段20W连续波空间行波管，本发明通过集成创新结合仿真技术，实现宽频带、高饱和点效率、高线性区效率、高线性度和轻重量的空间行波管。
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，提供一种结构设计合理，频带宽、饱和点效率高、线性区效率高、线性度号和重量轻的Ka波段20W连续波空间行波管，是一种可适用于低轨星座卫星和通信卫星等卫星平台应用的空间行波管。
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，优化布局，改变引线走向，优化结构，缩小收集极电极尺寸，包装件和底板结构采用异型结构等措施，实现行波管的小型化和轻重量；通过仿真技术，改变设计思路，大幅提高线性区效率；通过改变高频结构，使色散平坦，拓展频带，并通过优化互作用结构使相移等非线性指标不降低；采用螺旋线慢波结构，对设计参数进行进一步优化选取，通过选取合适的螺旋线内孔获得较高的耦合阻抗，结合动态相速渐变技术和CAD的手段提高电子效率，同时满足高线性化需求；采用PPM聚焦系统保证高的流通率，减小螺流；输入采用标准K-2.92接头，输出采用BJ180波导兰，保证低的电压驻波比和高频损耗；采用高长径比非对称四级降压收集极提高整管效率并减小返流；采用一体式传导冷却散热结构和封装结构保证整管力学和热学性能，进而保证产品的高可靠性。
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Ka波段高效率、轻重量空间行波管，它包括聚焦极控制双阳极电子枪、与聚焦极控制双阳极电子枪相连的慢波电路、固定在慢波电路外部的PPM磁聚焦系统、与慢波电路相连的同轴输入和波导输出输能装置和四级降压收集极；所述的聚焦极控制双阳极电子枪、慢波电路、PPM磁聚焦系统、同轴输入和波导输出输能装置和四级降压收集极均通过包装件固定在底板上；
所述的聚焦极控制双阳极电子枪包括：瓷环、阴极组件、支撑筒锥、支撑筒直、支撑筒台阶、阴极封接环、聚焦极封接环、阳极一封接环、阳极二封接环、聚束极、阳极一、阳极二和后盖组合；所述的阴极组件位于电子枪中部；支撑筒锥位于阴极组件外部；支撑筒直位于支撑筒锥外部；支撑筒台阶与支撑筒直左侧相接；阴极封接环位于支撑筒台阶外侧；聚焦极封接环位于阴极封接环右侧，中间用瓷环隔开；阳极一封接环位于聚焦极封接环右侧，中间用瓷环隔开；阳极二封接环位于阳极一封接环右侧，中间用瓷环隔开；聚焦极连接在聚焦极封接环上，阳极一连接在阳极一封接环上，阳极二连接在阳极二封接环上，后盖组合位于电子枪最左侧，与瓷环相连；
所述的慢波电路包括管壳、夹持杆、螺旋线、输入输能和输出输能；所述的螺旋线通过外部间隔均匀的夹持杆装配在管壳内，输入输能与管壳左端相连，输出输能与管壳右端相连；
所述的慢波电路采用无切断一段式高频结构，无切断一段式高频结构包含一根的螺旋线和3根夹持杆，所述的螺旋线集成输入段螺旋线、输入螺距拉大段和输出段螺旋线和输出螺距拉大段；
所述的四级降压收集极包括：收集极筒、四瓣瓷、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；所述的收集极筒内部的收集极瓷在四瓣瓷内部从左至右依次排列为第一收集极芯，第二收集极芯，第三收集极芯，第四收集极芯，最右侧为密封收集极的收集极尾盖；所述的第一收集极芯与第一收集极引线相连，第二收集极芯与第二收集极引线相连，第三收集极芯与第三收集极引线相连，第四收集极芯与第四收集极引线相连；第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯、第四收集极芯为交错式非对称方式排布；
所述的包装件包括底板、输入盖片、输出支架、罩壳、收集极罩壳、引线座及引线柱；所述的罩壳、收集极罩壳与底板相连，输入盖片、引线座及引线柱通过机械固定的方式集成在罩壳上，用来固定输入输能和引线；输出支架通过焊接集成在收集极罩壳上，用来固定输出波导。
本发明所述的聚焦极控制双阳极电子枪结构上将电子枪部件采用多层瓷环和封接环叠加起来焊接，结构可靠性高，可以有效避免焊接漏气的风险。本发明在所有支撑筒上均开有通气孔，可提高放气时气体扩散的速度，保护提高阴极寿命。
本发明的后盖组合增设有吸气剂，维持行波管真空度，提高行波管寿命。采用热导率低的材料和减薄热屏筒厚度等降低热传导，采用多层热屏结构降低热辐射损耗、采用精密旋压工艺对热屏筒厚度公差精确控制，可实现对低加热功耗的精准控制。
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，选取较小的电流密度为1A/cm2，保证工作寿命。利用CAD技术优化了高会聚电子注设计和高强度磁场，改善阳极孔附近的电位分布，调节电位从而提高层流性，同时使得阴极发射的阴极支取电流密度更均匀，确保得到层流性好、脉动小的高性能电子注，减少慢波系统的电子截获。
本发明所述的所述的小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，所述的螺旋线集成输入段螺旋线的螺距为0.315~0.325mm、输入螺距拉大段的螺距为0.415~0.425mm和输出段螺旋线的螺距为0.335~0.345mm,输出螺距拉大段的螺距为0.495~0.505mm。
所述的螺旋线螺距自左向右由0.338mm渐变为0.329mm，再由0.329mm渐变为0.312mm，再由0.312渐变为0.3mm。螺旋线直径范围为0.810~0.830mm。
本发明采用无切断一段式高频结构相对于传统带切断的高频结构，有利于缩短管长，减轻整管重量，螺旋线直径的选择上兼顾了耦合阻抗及电子注流通率，螺旋线螺距分布配合衰减器兼顾增益和整管稳定性，结合相速渐变结构有利于实现宽频带、高线性度、高电子效率。输入输能、输出输能采用弥散无氧铜内导体，输出输能采用采用标准盒形窗结构，部件焊接后整体表面进行镀银工艺，有利于降低损耗和驻波，取得了很好的技术效果。
所述的四级降压收集极包括外表面收集极筒，与收集极筒相连的三片收集极瓷，在收集极瓷内部依次排列的四个收集极芯。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。
本发明采用了高长径比为2:1~3.5:1的一体式焊接收集极，直径的缩小有利于减小收集极重量及包装件重量，利用四瓣绝缘瓷组合将收集极筒与底板直接焊接，可大大提高散热能力，能够使收集极满足空间行波管的散热要求。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，利用交错式非对称方式，并在外部增加非对称磁场，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和各状态下的收集极回收效率，使得该管的电子注流通率达99%以上，达到了收集极高压绝缘、高回收效率、轻重量和散热的效果，取得了很好的技术效果。
有益效果：本发明提供的Ka波段高效率、轻重量空间行波管与现有技术相比具有以下优点：
一是采用高层流性低热丝功耗小型化电子枪结构，具有低加热功率、高流通率、小型化及精度高的优点；
二是采用新型的无切断一段式高频结构，一体式高频组合热膨胀方式推入管壳工艺，有利于缩短管长，减轻整管重量，螺旋线直径的选择上兼顾了耦合阻抗及电子注流通率，螺旋线螺距分布配合衰减器兼顾增益和整管稳定性，结合相速渐变结构有利于实现宽频带、高线性度、高电子效率；
三是采用了高长径比一体式焊接收集极，利用三瓣绝缘瓷组合和交错式非对称电极，实现了高压绝缘、高回收效率、轻重量和散热；
四是采用支撑结构集成包装技术，有利于减小了包装件的数量、体积和重量，增加了结构强度。
本发明提供的Ka波段高效率、轻重量空间行波管，重量低于430g，功率大于20W，带宽2GHz，饱和点效率58%，输出功率回退1dB效率52%，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，取得了很好的技术进步。
附图说明
图1为本发明提供的Ka波段高效率、轻重量空间行波管的结构示意图。
图2为本发明空间行波管的电子枪的结构示意图。
图3为本发明空间行波管的慢波电路的结构示意图。
图4为本发明空间行波管的四级降压收集极的结构示意图。
图5为本发明空间行波管的包装件的结构示意图。
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5所示，
一种Ka波段高效率、轻重量空间行波管，它包括聚焦极控制双阳极电子枪1、与聚焦极控制双阳极电子枪1相连的慢波电路2、固定在慢波电路2外部的PPM磁聚焦系统、与慢波电路2相连的同轴输入和波导输出输能装置和四级降压收集极5；所述的聚焦极控制双阳极电子枪1、慢波电路2、PPM磁聚焦系统3、同轴输入和波导输出输能装置4和四级降压收集极5均通过包装件6固定在底板7上；
所述的聚焦极控制双阳极电子枪1包括：瓷环1-1、阴极组件1-2、支撑筒锥1-3、支撑筒直1-4、支撑筒台阶1-5、阴极封接环1-6、聚焦极封接环1-7、阳极一封接环1-8、阳极二封接环1-9、聚束极1-10、阳极一1-11、阳极二1-12和后盖组合1-13；所述的阴极组件1-2位于电子枪中部；支撑筒锥1-3位于阴极组件1-2外部；支撑筒直1-4位于支撑筒锥1-3外部；支撑筒台阶1-5与支撑筒直1-4左侧相接；阴极封接环1-6位于支撑筒台阶1-5外侧；聚焦极封接环1-7位于阴极封接环1-6右侧，中间用瓷环1-1隔开；阳极一封接环8位于聚焦极封接环1-7右侧，中间用瓷环1-1隔开；阳极二封接环1-9位于阳极一封接环1-8右侧，中间用瓷环1隔开；聚焦极1-10连接在聚焦极封接环1-7上，阳极一1-11连接在阳极一封接环1-8上，阳极二1-12连接在阳极二封接环1-9上，后盖组合1-13位于电子枪最左侧，与瓷环1-1相连；后盖组合1-13增设有吸气剂。
所述的慢波电路2包括管壳2-1、夹持杆2-2、螺旋线2-3、输入输能2-4和输出输能2-5；所述的螺旋线2-3通过外部间隔均匀的夹持杆2-2装配在管壳2-1内，输入输能2-4与管壳2-1左端相连，输出输能2-5与管壳2-1右端相连；
所述的慢波电路2采用无切断一段式高频结构，无切断一段式高频结构包含一根的螺旋线和3根夹持杆，所述的螺旋线集成输入段螺旋线、输入螺距拉大段和输出段螺旋线和输出螺距拉大段；
所述的四级降压收集极5的长径比为2:1~3.5:1。四级降压收集极5包括：收集极筒5-1、四瓣瓷5-2、第一收集极芯5-3、第二收集极芯5-4、第三收集极芯5-5、第四收集极芯5-6、收集极尾盖5-7；所述的收集极筒5-1内部的收集极瓷5-2在四瓣瓷5-2内部从左至右依次排列为第一收集极芯5-3，第二收集极芯5-4，第三收集极芯5-5，第四收集极芯5-6，最右侧为密封收集极的收集极尾盖5-7；所述的第一收集极芯5-3与第一收集极引线相连，第二收集极芯5-4与第二收集极引线相连，第三收集极芯5-5与第三收集极引线相连，第四收集极芯5-6与第四收集极引线相连；第一收集极芯5-3、第二收集极芯5-4、第三收集极芯5-5和第四收集极芯5-6为交错式非对称方式排布；
所述的包装件6包括底板6-1、罩壳6-2、收集极罩壳6-3、输入盖片6-4、输出支架6-5、引线座6-6及引线柱6-7；所述的罩壳6-2、收集极罩壳6-3与底板6-1相连，输入盖片6-4、引线座6-6及引线柱6-7通过机械固定的方式集成在罩壳6-2上，用来固定输入输能和引线；输出支架通过焊接集成在收集极罩壳6-3上，用来固定输出波导。
本发明提供的Ka波段高效率、轻重量空间行波管，重量低于430g，功率大于20W，带宽2GHz，饱和点效率58%，输出功率回退1dB效率52%，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，可满足卫星系统集成需求的高线性度和满足可靠性要求的小螺流，通过了地面试验验证。
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 (6)
1.一种Ka波段高效率、轻重量空间行波管，其特征在于，它包括聚焦极控制双阳极电子枪（1）、与聚焦极控制双阳极电子枪（1）相连的慢波电路（2）、固定在慢波电路（2）外部的PPM磁聚焦系统、与慢波电路（2）相连的同轴输入和波导输出输能装置和四级降压收集极（5）；所述的聚焦极控制双阳极电子枪（1）、慢波电路（2）、PPM磁聚焦系统（3）、同轴输入和波导输出输能装置（4）和四级降压收集极（5）均通过包装件（6）固定在底板（7）上；
所述的聚焦极控制双阳极电子枪（1）包括：瓷环（1-1）、阴极组件（1-2）、支撑筒锥（1-3）、支撑筒直（1-4）、支撑筒台阶（1-5）、阴极封接环（1-6）、聚焦极封接环（1-7）、阳极一封接环（1-8）、阳极二封接环（1-9）、聚束极（1-10）、阳极一（1-11）、阳极二（1-12）和后盖组合（1-13）；所述的阴极组件（1-2）位于电子枪中部；支撑筒锥（1-3）位于阴极组件（1-2）外部；支撑筒直（1-4）位于支撑筒锥（1-3）外部；支撑筒台阶（1-5）与支撑筒直（1-4）左侧相接；阴极封接环（1-6）位于支撑筒台阶（1-5）外侧；聚焦极封接环（1-7）位于阴极封接环（1-6）右侧，中间用瓷环（1-1）隔开；阳极一封接环（8）位于聚焦极封接环（1-7）右侧，中间用瓷环（1-1）隔开；阳极二封接环（1-9）位于阳极一封接环（1-8）右侧，中间用瓷环（1）隔开；聚焦极（1-10）连接在聚焦极封接环（1-7）上，阳极一（1-11）连接在阳极一封接环（1-8）上，阳极二（1-12）连接在阳极二封接环（1-9）上，后盖组合（1-13）位于电子枪最左侧，与瓷环（1-1）相连；
所述的慢波电路（2）包括管壳（2-1）、夹持杆（2-2）、螺旋线（2-3）、输入输能（2-4）和输出输能（2-5）；所述的螺旋线（2-3）通过外部间隔均匀的夹持杆（2-2）装配在管壳（2-1）内，输入输能（2-4）与管壳（2-1）左端相连，输出输能（2-5）与管壳（2-1）右端相连；
所述的慢波电路（2）采用无切断一段式高频结构，无切断一段式高频结构包含一根的螺旋线和3根夹持杆，所述的螺旋线集成输入段螺旋线、输入螺距拉大段和输出段螺旋线和输出螺距拉大段；
所述的四级降压收集极（5）包括：收集极筒（5-1）、四瓣瓷（5-2）、第一收集极芯（5-3）、第二收集极芯（5-4）、第三收集极芯（5-5）、第四收集极芯（5-6）、收集极尾盖（5-7）；所述的收集极筒（5-1）内部的收集极瓷（5-2）在四瓣瓷（5-2）内部从左至右依次排列为第一收集极芯（5-3），第二收集极芯（5-4），第三收集极芯（5-5），第四收集极芯（5-6），最右侧为密封收集极的收集极尾盖（5-7）；所述的第一收集极芯（5-3）与第一收集极引线相连，第二收集极芯（5-4）与第二收集极引线相连，第三收集极芯（5-5）与第三收集极引线相连，第四收集极芯（5-6）与第四收集极引线相连；第一收集极芯（5-3）、第二收集极芯（5-4）、第三收集极芯（5-5）和第四收集极芯（5-6）为交错式非对称方式排布；
所述的包装件（6）包括底板（6-1）、输入盖片（6-2）、输出支架（6-3）、罩壳（6-4）、收集极罩壳（6-5）、引线座（6-6）及引线柱（6-7）；所述的罩壳（6-4）、收集极罩壳（6-5）与底板（6-1）相连，输入盖片（6-2）、引线座（6-6）及引线柱（6-7）通过机械固定的方式集成在罩壳（6-4）上，用来固定输入输能和引线；输出支架通过焊接集成在收集极罩壳（6-5）上，用来固定输出波导。
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，所述的螺旋线（2-3）集成输入段螺旋线的螺距为0.315~0.325mm、输入螺距拉大段的螺距为0.415~0.425mm和输出段螺旋线的螺距为0.335~0.345mm,输出螺距拉大段的螺距为0.495~0.505mm。
3.根据权利要求2所述的小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，其特征在于，所述的螺旋线（2-3）螺距自左向右由0.338mm渐变为0.329mm，再由0.329mm渐变为0.312mm，再由0.312渐变为0.3mm。
4.根据权利要求2所述的小型化、轻重量的Ka波段空间行波管，其特征在于，所述的螺旋线直径范围为0.810~0.830mm。
5.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，四级降压收集极（5）的长径比为2:1~3.5:1。
6.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，后盖组合（1-13）增设有吸气剂。
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