寬帶大功率行波管高效率技術(shù)研究

　　本文針對寬帶大功率連續波行波管，對其慢波結構、多級降壓收集極和輸能結構進(jìn)行技術(shù)研究，利用MTSS和CST仿真技術(shù)，改進(jìn)原有結構方式，進(jìn)一步提高寬帶大功率行波管整管效率。

　　隨著(zhù)武器裝備不斷的更新?lián)Q代，機載武器裝備對行波管效率的要求越來(lái)越高。中國電科12所自20世紀90年代開(kāi)展寬帶連續波行波管研究以來(lái)，已經(jīng)形成了功率量級為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)有報道稱(chēng)國外此頻段內寬帶大功率連續波行波管效率已達到40%，例如法國THALES 公司的TH4443行波管，國內產(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(zhù)手。通過(guò)對國內外寬帶高效率行波管的參數進(jìn)行比較可以看到：法國THALES公司的高效率行波管主要通過(guò)降低工作電壓、提高導流系數、優(yōu)化高頻系統、提高互作用效率以及采用多級降壓收集極來(lái)提高整管效率;而國內的寬帶行波管普遍采用單收或兩級降壓收集極，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，需要慢波結構具有平坦的色散特性，通過(guò)對已有管型的CAD仿真結果分析得出：T 型翼片加載、品型夾持桿支撐的螺旋線(xiàn)慢波結構的色散特性較為平坦，同時(shí)高頻段的耦合阻抗下降較少，對于功率、增益和效率的影響也較小，為首選結構。以采用此種慢波結構的200 W 管型為例，邊頻(18GHz)的互作用效率達到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)的設計思想是：在輸出段強化電子注群聚現象，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換，提高互作用效率。具體做法是通過(guò)在互作用長(cháng)度上設置不同的螺距分布，使得高頻信號與電子注速度在不同的區域都可以達到需要的同步狀態(tài)，電子注的動(dòng)能可以最大限度的轉變?yōu)楦哳l能量。

　　本文在成熟管型的基礎上，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)測邊頻(18GHz)的互作用效率達到16.8%以上(圖3)。

圖1　高頻結構模型及DVT技術(shù)螺距跳變方式

圖2　原有均勻螺距與跳變螺距

2、結論

　　本文利用MTSS和CST對6～18GHz寬帶大功率連續波行波管的高頻系統、收集極和輸能系統進(jìn)行技術(shù)研究，優(yōu)化改進(jìn)后，樣管實(shí)測的互作用效率達到16.8%以上，收集極效率達到70%以上，整管效率達到全頻帶38%以上，達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比