多注行波管PPM聚焦磁場(chǎng)設計方法研究

2013-08-28 鄧光晟 省部共建現代顯示技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室

　　對多注行波管周期永磁( PPM) 聚焦結構中橫向磁場(chǎng)的分布規律進(jìn)行了研究，模擬分析了多注PPM 聚焦系統中橫向場(chǎng)的旋轉對稱(chēng)特性，并對該系統中的電子流通率進(jìn)行了分析。結果表明，單注PPM 結構設計中普遍采用的橫向磁場(chǎng)設計原則不適用于多注PPM 聚焦結構，因為后者磁場(chǎng)的非旋轉對稱(chēng)現象將隨著(zhù)電子通道內徑向位置的增大而增強。本文針對多注PPM 聚焦系統中橫向磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，提出了一種多注PPM 聚焦磁場(chǎng)設計的一般性方法，首次將對磁場(chǎng)旋轉對稱(chēng)性的判斷納入多注PPM 磁場(chǎng)設計中。測試結果證明該方法對多注PPM 聚焦磁場(chǎng)的設計提供了較好的指導作用。

　　多注行波管是在單注行波管的基礎上，采用多電子注技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種大功率微波放大器。由于多注行波管具有頻帶寬、效率高、體積小、工作電壓低以及重量輕等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)引起各國極大關(guān)注的一類(lèi)新型微波電真空器件。多注速調管一般采用均勻永磁聚焦結構與周期反轉聚焦結構，由于體積過(guò)大，該類(lèi)聚焦結構難以應用于多注行波管結構中，因此多注行波管一般采取周期永磁( PPM) 聚焦。目前對多注PPM 聚焦系統的設計一般采用單注結構的設計方法，未對通道孔內磁場(chǎng)的旋轉對稱(chēng)特性進(jìn)行考慮。單注PPM 聚焦結構中電子注通道位于結構的旋轉對稱(chēng)中心，耦合槽對其影響一般較小，孔內的靜磁場(chǎng)基本滿(mǎn)足旋轉對稱(chēng)分布，電子注受橫向磁場(chǎng)影響亦不大。橫向磁場(chǎng)分布一般隨著(zhù)電子注通道層數的增多和通道離開(kāi)系統中心軸的距離的增大而增大，對多注PPM 系統特別是當電子通道數目較多時(shí)，橫向場(chǎng)對孔內磁場(chǎng)旋轉對稱(chēng)分布性的破壞是亟待考慮的問(wèn)題。特別當PPM聚焦結構設計不合理時(shí)，磁場(chǎng)在通道孔內的不對稱(chēng)特性表現得尤其明顯。

1、多注PPM系統中的橫向磁場(chǎng)分布

　　橫向磁場(chǎng)主要是因為磁系統不滿(mǎn)足旋轉對稱(chēng)結構而形成的，這里所描述的旋轉對稱(chēng)結構的中心是指以電子通道為中心。單注PPM 聚焦結構中，在不考慮耦合槽時(shí)電子通道內的橫向磁場(chǎng)是嚴格旋轉對稱(chēng)的，而耦合槽的存在對磁場(chǎng)旋轉對稱(chēng)特性的影響也相當有限。根據阿莫良夫斯基的理論，如果在極靴處加入鐵制容性加載頭，通道內的橫向磁場(chǎng)將進(jìn)一步得到抑制，即耦合槽對橫向磁場(chǎng)的旋轉對稱(chēng)特性的影響將進(jìn)一步減小。

　　對多注PPM 結構而言，多通道孔的存在會(huì )影響其中的磁場(chǎng)結構的分布，通道孔內的橫向磁場(chǎng)也會(huì )發(fā)生很大變化，多注PPM 系統內橫向磁場(chǎng)強度會(huì )隨著(zhù)電子注通道離開(kāi)系統中心軸的距離增大而增大。當橫向磁場(chǎng)較小時(shí)，孔內的磁力線(xiàn)分布是基本對稱(chēng)的，如圖1( a) 所示，一般多為單注PPM 聚焦系統的電子通道及多注PPM 聚焦系統的中心注電子通道內磁場(chǎng)分布。這種情況下電子注受橫向磁場(chǎng)的作用很小，電子流通率主要由軸向磁場(chǎng)確定。

電子注通道內的橫向磁場(chǎng)

圖1 電子注通道內的橫向磁場(chǎng)

　　在電子注通道的邊緣，由于真空磁導率比極靴材料小得多，會(huì )有一部分磁力線(xiàn)從極靴內滲入通道孔中，但通道孔內的橫向磁場(chǎng)主要集中在通道的邊緣附近，而通道孔中心軸的傍軸區域內橫向磁場(chǎng)相對較小。如果此時(shí)的磁場(chǎng)分布滿(mǎn)足旋轉對稱(chēng)特性,則橫向磁場(chǎng)對電子注聚焦不會(huì )產(chǎn)生明顯影響。極靴中的磁場(chǎng)強度越大，通道孔離對稱(chēng)中心越遠，通道孔中橫向磁場(chǎng)的影響越大。圖1(b) 是外層電子通道內的磁場(chǎng)分布截面圖，通道內部的橫向磁場(chǎng)相對中心孔有所增大，同時(shí)在通道孔的邊緣出現了磁力線(xiàn)分布不對稱(chēng)現象。圖2為某多注PPM 聚焦系統內的磁場(chǎng)分布圖，其中心孔的磁場(chǎng)分布基本對稱(chēng)，隨著(zhù)通道孔遠離軸對稱(chēng)中心，磁場(chǎng)分布的非對稱(chēng)現象愈加嚴重。

PPM 系統磁場(chǎng)分布圖

圖2 PPM 系統磁場(chǎng)分布圖(極靴橫向截面)

結論

　　PPM 聚焦系統中的橫向磁場(chǎng)是影響微波管電子流通率的重要原因之一，橫向磁場(chǎng)的非旋轉對稱(chēng)特性會(huì )使電子注在通道中運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生/ 偏心0現象而被通道內壁截獲。傳統的單注結構PPM 聚焦系統中電子通道孔一般位于結構中心，非旋轉對稱(chēng)性主要受耦合槽影響。對多注PPM 聚焦結構，外層電子通道本身就遠離結構中心，非旋轉對稱(chēng)特性的存在將不可避免，同時(shí)耦合槽對電子通道內磁場(chǎng)的影響也將進(jìn)一步加大，單注PPM 結構設計中普遍采用的橫向磁場(chǎng)設計原則對于多注PPM 聚焦結構已經(jīng)不再適用。對某4 注多注PPM 聚焦結構模擬發(fā)現，即使通道孔內軸線(xiàn)上橫向磁場(chǎng)與軸向磁場(chǎng)峰值之比小于1%，當填充比大于60% 后，電子流通率也會(huì )受到明顯影響。我們針對多注PPM 聚焦磁場(chǎng)的特點(diǎn)，在磁系統設計時(shí)首先進(jìn)行了對橫向磁場(chǎng)旋轉對稱(chēng)性的判斷，在此基礎上對多注PPM 聚焦系統內的橫向磁場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化。測試結果表明，該方法克服了多注PPM 聚焦磁場(chǎng)在傳統設計方法下外層通道內電子流通率不佳的問(wèn)題，對多注PPM 聚焦系統的設計起到了較好的指導作用。