寬帶大功率行波管高效率技術(shù)研究

　　本文針對(duì)寬帶大功率連續(xù)波行波管，對(duì)其慢波結(jié)構(gòu)、多級(jí)降壓收集極和輸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)研究，利用MTSS和CST仿真技術(shù)，改進(jìn)原有結(jié)構(gòu)方式，進(jìn)一步提高寬帶大功率行波管整管效率。

　　隨著武器裝備不斷的更新?lián)Q代，機(jī)載武器裝備對(duì)行波管效率的要求越來(lái)越高。中國(guó)電科12所自20世紀(jì)90年代開(kāi)展寬帶連續(xù)波行波管研究以來(lái)，已經(jīng)形成了功率量級(jí)為25W、50W、100W、200W等一系列產(chǎn)品，打破了西方產(chǎn)品的壟斷局面。在寬帶大功率行波管方面主要以200W 系列為主，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，整管效率從15%提升到28%。近年來(lái)有報(bào)道稱國(guó)外此頻段內(nèi)寬帶大功率連續(xù)波行波管效率已達(dá)到40%，例如法國(guó)THALES 公司的TH4443行波管，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與其尚有一定差距。

　　行波管在忽略燈絲功率、截獲損耗和高頻損耗的情況下，總效率與收集極效率及互作用效率的關(guān)系式為。因此要提高寬帶大功率行波管的總效率，就要從提高行波管互作用效率和收集極效率兩方面著手。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外寬帶高效率行波管的參數(shù)進(jìn)行比較可以看到：法國(guó)THALES公司的高效率行波管主要通過(guò)降低工作電壓、提高導(dǎo)流系數(shù)、優(yōu)化高頻系統(tǒng)、提高互作用效率以及采用多級(jí)降壓收集極來(lái)提高整管效率;而國(guó)內(nèi)的寬帶行波管普遍采用單收或兩級(jí)降壓收集極，因此整管效率偏低。

1、提升互作用效率的研究

　　一般來(lái)說(shuō)，寬帶行波管為了在全頻帶得到理想的輸出功率，需要慢波結(jié)構(gòu)具有平坦的色散特性，通過(guò)對(duì)已有管型的CAD仿真結(jié)果分析得出：T 型翼片加載、品型夾持桿支撐的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的色散特性較為平坦，同時(shí)高頻段的耦合阻抗下降較少，對(duì)于功率、增益和效率的影響也較小，為首選結(jié)構(gòu)。以采用此種慢波結(jié)構(gòu)的200 W 管型為例，邊頻(18GHz)的互作用效率達(dá)到13%以上。

　　利用動(dòng)態(tài)相速漸變(DVT)技術(shù)可以進(jìn)一步提高互作用效率。DVT技術(shù)的設(shè)計(jì)思想是：在輸出段強(qiáng)化電子注群聚現(xiàn)象，形成幅值更高的交變電流，增加減速場(chǎng)中的電子比例，從而使更多的電子參與能量轉(zhuǎn)換，提高互作用效率。具體做法是通過(guò)在互作用長(zhǎng)度上設(shè)置不同的螺距分布，使得高頻信號(hào)與電子注速度在不同的區(qū)域都可以達(dá)到需要的同步狀態(tài)，電子注的動(dòng)能可以最大限度的轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l能量。

　　本文在成熟管型的基礎(chǔ)上，降低工作電壓，螺距采取了三段跳變的方式，如圖2所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，互作用效率有了明顯的提高，從14%提高到了17%，實(shí)測(cè)邊頻(18GHz)的互作用效率達(dá)到16.8%以上(圖3)。

圖1　高頻結(jié)構(gòu)模型及DVT技術(shù)螺距跳變方式

圖2　原有均勻螺距與跳變螺距

2、結(jié)論

　　本文利用MTSS和CST對(duì)6～18GHz寬帶大功率連續(xù)波行波管的高頻系統(tǒng)、收集極和輸能系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究，優(yōu)化改進(jìn)后，樣管實(shí)測(cè)的互作用效率達(dá)到16.8%以上，收集極效率達(dá)到70%以上，整管效率達(dá)到全頻帶38%以上，達(dá)到了提升寬帶大功率行波管整管效率的目的(圖8)

圖8　樣管改進(jìn)前后輸出功率和互作用效率對(duì)比