CN112964971B - 一种行波管收集极入口电子能量分布曲线的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于行波管高效率技术领域，具体涉及一种行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法。本发明采用低工作比电子注发射开始对行波管测试，在保证安全的前提下，逐渐提高行波管的工作比，直到行波管的工作比不能再继续提高为止，此时测量数据为最终的测量数据。将最终的测量数据用以指导高效率收集极的迭代优化设计和高效率收集极的调试，减少了高效率行波管研制的迭代开发次数和设计周期，有助于降低高效率行波管的研制成本。并且本发明操作方便、简单，不需要制造复杂的测试系统，极大地节约时间和实验成本。

Description

一种行波管收集极入口电子能量分布曲线的测量方法

技术领域

本发明属于行波管高效率技术领域，具体涉及一种行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法。

背景技术

行波管是宽频带大功率的真空电子器件，具有高效率、大宽带、高可靠、长寿命以及抗辐射等特点，广泛应用与雷达、卫星通信、导航等领域。高效率是行波管一直以来发展的目标之一，高效率意味着行波管的能量转换效率高，在行波管在有限的能源供给下，有助于节约系统能源；也意味着在同样的能源供给下，可以提高卫星有效载荷；高效率也意味着能量损耗低，系统损耗的电能转化成的热能低。行波管中的热量积累容易导致系统温度升高，使得系统的元器件受到高温的影响，会降低系统工作的可靠性和寿命，也间接导致附加的散热系统的设计复杂性以及额外增加系统载荷。所以研制高效率行波管对于行波管的应用具有重要意义。特别对于空间应用行波管，机载行波管等能源使用紧张的系统来说具有重要的价值。

行波管的基本工作原理：在直流高压电源作用下产生一束高能直流电子注，直流电子注与输入的高频信号进行注波作用，互作用后直流电子注的部分能量转换给高频信号，高频信号的能量被放大，输出到负载。而注波互作用后的电子被收集极的减速电场减速回收能量。

注波互作用后的电子的能量仍然携带了很高的能量，一般会超过直流能量的50％以上，这部分高能电子的能量最好尽可能高效率的回收到电源系统中，否则，没有被回收的大量能量将会转换为大量的热，使得系统温度升高，降低器件可靠性，影响使用寿命，给电源系统和冷却散热系统增加了压力。所以高效率收集极的设计是高效率行波管的研制的重要部分。

目前高效率收集极设计严重依赖于仿真设计软件。收集极仿真设计是在给定收集极入口电子注接口的前提下对收集极进行结构设计、磁场设计、电压设计等综合设计，优化得到回收效率尽可能高的收集极。但是实际制造的收集极入口电子状态与仿真设计时的收集极入口电子状态存在较大差异，导致仿真设计的收集极结构参考性差，设计的收集极的效率与实际制造的收集极效率差别较大。而且行波管研制成本高昂(可达几十万元)，研制周期长(可达几个月)，如果通过有限次实验不能使得行波管达到研制指标，将会大大增加研制成本，增加研制周期。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有行波管高效率收集极设计与实际制造存在较大差异，严重制约行波管收集极效率提升以及设计周期较长和设计成本较大的缺陷，本发明提出了一种行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法，利用该方法可以测量得到的收集极入口电子能量分布曲线，测量得到的收集极入口能量分布曲线比仿真得到的数据更准确，从而可以有效指导高效率收集极的设计。利用本方法测量得到的能量分布曲线对于收集极的级数设计、结构设计以及电压设计具有重要的参考价值。

一种行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法，包括以下步骤：

步骤一、接行波管电源，输入信号输入装置和输出信号接收装置，设置行波管电子注发射调制电源工作比1％-5％，给定行波管螺流安全阈值I_h，给定停止电压降压扫描的回收电流指示值I_R。

步骤二、对共有n级收集极的行波管，设置n个收集极电极均与管壳等电位，接地。并记录初始收集极各级电压、电流。

步骤三、根据收集极总电极数目n的值，分不同情况进行调控；

对n<3的行波管收集极，对第n级进行降压，降压步长范围50-100V。其他电极电压保持步骤二中设置不变；

对n≥3的收集极，对第3级到第n级的电极电压同时进行降压，降压步长范围50-100V。其他电极电压保持步骤二中设置不变。

步骤四、判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，继续下一步；如果否，转步骤六。

步骤五、降低工作比，工作比降低步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，就持续降低工作比，并判定，直至判定为否；如果否，转步骤七。

步骤六、升高工作比，工作比升高步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，转步骤五；

如果否，判断工作比是否为100％，如果工作比未达到100％，就持续升高工作比，并每次升高工作比后判定是否大于给定螺流安全阈值I_h，直至判定为是(当前螺流值大于给定螺流安全阈值I_h)，转步骤五。

如果否，且工作比达到100％，转步骤七。

步骤七、记录收集极当前各级收集极电压、电流和行波管的当前螺流、工作比；判断进行电压扫描的降压电极当前回收的电流是否小于I_R和当前工作比的乘积：

如果是，继续步骤八。如果否，设置工作比1％-5％，转步骤三。

步骤八、对所有记录的进行电压扫描的降压电极回收电流值进行转换，转换规则：记录电流值除以工作比。并以转换后的电流值为纵坐标，进行电压扫描的降压电极的电压绝对值为横坐标，进行数据拟合。得到最终的能量分布曲线。

因为行波管研制成本高，实验测试需要保证行波管的安全。本发明充分考虑了行波管的安全性，采用低工作比电子注发射开始对行波管测试，在保证安全的前提下，逐渐提高行波管的工作比，直到行波管的工作比不能再继续提高为止，此时测量数据为最终的测量数据。本发明操作方便、简单，不需要制造复杂的测试系统，极大地节约时间和实验成本。

目前行波管的设计严重依赖于仿真设计软件，设计人员根据仿真计算结果反复迭代设计行波管。行波管收集极入口的电子状态设计与制造差异较大，给设计人员设计高效率收集极增加了难度。仅仅通过不断的仿真尝试，对于成本高昂的行波管来说，实验成本太高，而且依赖于设计人员的经验，难以对提高行波管效率起到很好的指导作用，从而增加了行波管的研制周期。

本发明提出的行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法，利用多级降压收集极可以分配不同电压值的特性，对各级收集极分配不同的电压，对部分电极进行电压降压扫描测量，记录收集极电源显示电压电流数据；最后整理记录的电压对应电流数据，拟合得到收集极的能量分布曲线，实现了对实际行波管的收集极入口电子能量分布曲线的准确测量。对于收集极的级数设计、结构设计以及电压分配设计具有重要的参考价值。可以有效降低高效率收集极研制周期和成本。综上所述，本发明充分考虑了行波管的安全性，在保证安全的前提下，准确测量收集极入口电子的能量分布曲线。将最终的测量数据用以指导高效率收集极的迭代优化设计和高效率收集极的调试，减少了高效率行波管研制的迭代开发次数和设计周期，有助于降低高效率行波管的研制成本。

附图说明

图1为实施例行波管四级收集极加电模型示意图。

图2为实施例的测试和仿真设计的能量分布曲线对比图。

图3为本发明收集极入口能量分布曲线仿真实验测试与互作用计算数据对比图。

图4为实施例20％工作比下收集极入口能量分布曲线测试数据。

图5本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合某空间行波管四级降压收集极对本发明做进一步详细说明。

步骤一说明：

接行波管电源、输入信号输入装置和输出信号接收装置，设置行波管电子注发射调制电源工作比1％-5％，给定行波管螺流安全阈值I_h，给定停止电压降压扫描的回收电流指示值I_R。

对行波管测量数据，第一步要对行波管加电源和输入信号输入装置和输出信号接收装置。确保行波管在可以正常工作。为了保证安全性，行波管电子注调制电源从低工作比开始测试，这里选择工作比范围1％-5％；本实施例设置起始工作比为5％；设定螺流安全阈值，防止螺流过大损坏行波管的高频结构，对本实施例设置螺流2mA；给定停止电压降压扫描的回收电流指示值I_R，本实施例设置2mA。

步骤二说明：

对共有n级收集极的行波管，设置n个收集极电极与管壳(0级)等电位，接地。并记录初始收集极各级电压、电流。

设置n(4)级收集极电极与管壳(0级)等电位，接地。主要为保证行波管安全。

步骤三说明：

根据收集极总电极数目n的值，分不同情况进行调控；

对n<3的行波管收集极，对第n级进行降压，降压步长范围50-100V，其他电极电压保持步骤二中设置不变。

对n≥3的收集极，对第3级到第n级的电极电压同时进行降压，降压步长范围50-100V，其他电极电压保持步骤二中设置不变。

对于不同型号的的行波管，收集极的级数n会有差别，这里为保证安全性：

对不同型号的行波管的收集极分不同情况进行设置；对于总级数n较小于3级的收集极，只对最后一级电极进行降压测量电流，其他电极接地，有利于阻止电子回流，保护行波管。

对于总级数大于等于3级的收集级，对第3级到第n级的电极电压进行降压，其他电极接地，有利于阻止电子回流，也有利于测量径向速度较大的电子。本实施例对第3级和第4级进行降压，降压步长100V；如图1所示。

步骤四、五、六说明：

步骤四、判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h，如果是，继续下一步；如果否，转步骤六；

步骤五、降低工作比，工作比降低步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：如果是，就持续降低工作比，并判定，直至判定为否；如果否，转步骤七；

步骤六、升高工作比，工作比升高步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，转步骤五；

如果否，判断工作比是否为100％，如果工作比未达到100％，就持续升高工作比，并每次升高工作比后判定是否大于给定螺流安全阈值I_h，直至判定为是(即当前螺流值大于给定螺流安全阈值I_h)，转步骤五；

如果否，且工作比达到100％，转步骤七；

每一次降压后，首先判断螺流值大小，保证行波管的安全性。如果螺流太大，逐渐降低工作比，直到螺流降到安全阈值内；如果螺流满足在在安全范围内，可以尝试提高工作比，实际使用的行波管工作在满工作比状态，在保证安全的前提下，测量工作比越高，测量数据越接近行波管正常工作状态下的数据，测量也越准确。提高工作比有利于提高测量精度。工作比逐渐提高到直到满足安全要求的最大工作比，停止工作比调整。跳转下一步操作。工作比最高可达100％，当工作比达到100％时，即使此时螺流满足安全要求，也不可能继续提高工作比，此时跳转下一步操作。工作比每次增加步长和降低步长设置在1％-10％范围内，本实施例设置5％；

步骤七说明：

记录收集极当前各级收集极电压、电流和行波管的当前螺流、工作比；判断进行电压扫描的降压电极当前回收的电流是否小于I_R和当前工作比的乘积。

如果是，继续步骤八。如果否，设置工作比1％-5％，转步骤三；

记录收集极当前各级收集极的电压值和电流值和行波管的当前螺流、工作比，以便于后续数据分析。对进行电压扫描的降压电极的当前回收电流进行判断，在100％工作比状态下，随着降压电极的降压值增大，它回收的电流将逐渐减小，直到为0，这里设置一个满工作比时趋近于0的回收电流值来I_R来指示整个能量分布曲线测量何时停止。

在不同工作比下，回收电流随着工作比的变化，有所不同；在不同工作比下的回收电流的指示值变为I_R和当前工作比的乘积。如果回收的电流足够小，小于I_R和当前工作比的乘积，可认为绝大部分的电子的能量太低，不足以被降压电极回收。此时测量结束。如果不满足回收电流小于I_R和当前工作比的乘积，则可以继续进行降压测量，为了保证安全，在下一次降压之前把工作比设置为低工作比1％-5％，本实施例设置5％。然后跳转步骤三，开始下一个电压值的测量。

步骤八说明：

对所有记录的进行电压扫描的降压电极的回收电流值进行转换，转换规则：记录电流值除以工作比。并以转换后的电流值为纵坐标，进行电压扫描的降压电极的电压绝对值为横坐标，进行数据拟合，得到最终的能量分布曲线。

把测量的降压电极的电流值根据对应的工作比，转化为满工作比时的电流值，转化方法：电流值除以工作比，例如5mA电流对应工作比5％，则转化为满工作比时的电流为5/(5％)＝100mA。在笛卡尔坐标系中，横坐标为测量电压绝对值，纵坐标为回收电流值转换后的电流值。然后进行曲线拟合，就得到测量的能量分布曲线。如图2所示为用本实施例实验测试得到的能量分布曲线和仿真计算的能量分布曲线对比，可见实际测试的能量分布曲线与仿真计算确实存在较大差异。

因为测量的行波管的收集极入口的能量分布曲线仍然会有测量误差、仪器误差等。缺乏一个可以对比的理想真实数据，不好严格判断测量的曲线的准确性。为了进一步验证本发明提出的测试方法的准确性，对本发明提出的测试方法进行了仿真实验，对MTSS软件行波管互作用计算得到的收集极入口电子接口进行了仿真实验测试。仿真实验测试方法与本发明提出的测试方法完全一致。互作用计算数据和仿真实验测试数据对比如图3所示，三角形曲线为互作用计算接口的电子能量分布曲线。圆点曲线为仿真实验测试得到的电子能量分布曲线，两者吻合度较高。

具体的仿真实验测试电压、回收电流数据如图4所示，在20％工作比下最大回流小于1.84mA。小于2mA，满足了行波管测试的安全性要求。仿真实验测试数据验证了本发明的测试方法具有较高的准确性，测试结果具有较高的参考价值。

综上可见，本发明采用低工作比电子注发射开始对行波管测试，在充分考虑了行波管的安全前提下，逐渐提高行波管的工作比，直到行波管的工作比不能再继续提高为止，并此时测量的能量分布曲线为最终的测量数据。将最终的测量数据用以指导高效率收集极的迭代优化设计和高效率收集极的调试，减少了高效率收集极研制的迭代开发的次数和设计周期，有助于降低高效率行波管的研制成本。

Claims (2)

1.一种行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、接行波管电源，输入信号输入装置和输出信号接收装置，设置行波管电子注发射调制电源工作比1％-5％，给定行波管螺流安全阈值I_h，给定停止电压降压扫描的回收电流指示值I_R；

步骤二、对共有n级收集极的行波管，设置n个收集极电极均与管壳等电位，接地；并记录初始收集极各级电压、电流；

步骤三、根据收集极总电极数目n的值，分不同情况进行调控；

对n<3的行波管收集极，对第n级进行降压，降压步长范围50-100V；其他电极电压保持步骤二中设置不变；

对n≥3的收集极，对第3级到第n级的电极电压同时进行降压，降压步长范围50-100V；其他电极电压保持步骤二中设置不变；

步骤四、判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，继续下一步；如果否，转步骤六；

步骤五、降低工作比，工作比降低步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，就持续降低工作比，并判定，直至判定为否；如果否，转步骤七；

步骤六、升高工作比，工作比升高步长1％-10％；判断测量的当前螺流值是否大于给定螺流安全阈值I_h：

如果是，转步骤五；

如果否，判断工作比是否为100％，如果工作比未达到100％，就持续升高工作比，并每次升高工作比后判定是否大于给定螺流安全阈值I_h，直至判定为当前螺流值大于给定螺流安全阈值I_h，转步骤五；

如果否，且工作比达到100％，转步骤七；

步骤七、记录收集极当前各级收集极电压、电流和行波管的当前螺流、工作比；判断进行电压扫描的降压电极当前回收的电流是否小于I_R和当前工作比的乘积：

如果是，继续步骤八；如果否，设置工作比1％-5％，转步骤三；

步骤八、对所有记录的进行电压扫描的降压电极回收电流值进行转换，转换规则：记录电流值除以工作比；并以转换后的电流值为纵坐标，进行电压扫描的降压电极的电压绝对值为横坐标，进行数据拟合，得到最终的能量分布曲线。

2.如权利要求1所述行波管收集极入口电子能量分布曲线测量方法，其特征在于：将其得到最终的能量分布曲线用以指导高效率收集极的迭代优化设计和高效率收集极的调试。

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