雷達用X波段脈沖MPM的小型化行波管的研制
本文論述了雷達用X波段脈沖MPM的小型化行波管的設(shè)計和制備及測試情況，并簡單介紹了應(yīng)用情況。
微波功率模塊(簡稱MPM)是一個高度集成的放大器，由固態(tài)放大器(SSA)、小型化行波管(Mini-TWT)和集成電源(IEPC)三大部件構(gòu)成，與傳統(tǒng)行波管放大器相比，具有尺寸小、重量輕、效率高、大信噪比的特點。MPM 在眾多軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中，雷達用X波段脈沖MPM 是下一代有源相控陣雷達、精確制導(dǎo)系統(tǒng)等的關(guān)鍵大功率器件。小型化行波管作為雷達用脈沖MPM 的核心關(guān)鍵部件，其實現(xiàn)的難點和重點是小型化和高效率設(shè)計。因此，在整個雷達用脈沖MPM 中，小型化行波管也是實現(xiàn)其總體性能的關(guān)鍵。
Mini-TWT要求的主要技術(shù)指標：工作頻段為X 波段，脈沖功率500 W，帶寬2 GHz，工作比20%，效率ηTWT>35%，陰極電壓小于7800V，Mini-TWT體積小于220mm×35mm×25mm。
1、小型化行波管的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑
高效率是本行波管設(shè)計的關(guān)鍵。如果互作用效率低，當電壓不變的情況下，獲得相同的射頻輸出功率就得增大工作電流，增大電流就會增大熱功耗，給已經(jīng)很重的熱功耗增大壓力。并且增大電流會增加無截獲柵控電子槍的柵極保護難度，高導(dǎo)流系數(shù)的無截獲柵控電子槍的軌跡質(zhì)量難以保證，這會影響管子的聚焦流通率。同時，高的互作用效率意味著管子工作需要的直流功率較小，產(chǎn)生的無用熱量也將大幅度降低，從而大幅度降低行波管的功耗。行波管散熱壓力大幅下降，這樣就對行波管的可靠性及其長壽命創(chuàng)造了十分有利的條件。
為了獲得行波管的高效率，采用高電子注填充比來提高電子效率和采用多級降壓收集極來回收互作用完的電子的能量。需要說明的是，用戶單位在考核脈沖行波管效率時，總功率包含了脈沖行波管脈沖間隙時的功率。這樣，工作比不同時，效率比較的意義不是太大。
2、小型化行波管各部件的設(shè)計與仿真計算
行波管設(shè)計采用無截獲柵控電子槍、周期永磁(PPM)聚焦結(jié)構(gòu)、同軸SMA輸入、同軸TNC輸出結(jié)構(gòu)和三級降壓收集極。
2.1、無截獲柵控電子槍的小型化設(shè)計
電子槍的導(dǎo)流系數(shù)為0.63μP，電子注最小半徑約0.61mm，選用陰極直徑Φ4mm，面積壓縮比M2≈10.9，有很好的軌跡質(zhì)量。圖1是用Opera3D計算的柵控電子槍的仿真結(jié)果，電子槍的外徑為15.4mm。
圖1 電子槍CAD仿真結(jié)果
5、結(jié)束語
小型化行波管的研制成功，為雷達用脈沖MPM 的完成提供了核心關(guān)鍵部件，使國內(nèi)第一次實現(xiàn)脈沖MPM，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。脈沖MPM作為發(fā)射組件，又是機載火控雷達的關(guān)鍵組件，可以直接裝備下一代戰(zhàn)機。此外，脈沖MPM 應(yīng)用于雷達，將使雷達的造價大幅度降低，對國防建設(shè)極為有利。
雷達用脈沖MPM 的小型化行波管具有如下特點：①采用無截獲柵控電子槍，柵控電壓和陰極電壓低(陰極電壓低于7500V時，電源容易實現(xiàn);②行波管尺寸小、重量輕，行波管整體尺寸為170mm×35mm×25mm，最后收集極處加散熱包裝高度不超過25mm，整個行波管小于500g。目前，小型化行波管的衍生產(chǎn)品已經(jīng)被某整機單位選用。
