大平均功率螺旋線(xiàn)行波管的研制
為滿(mǎn)足整機已定型機的需要而研制的X 波段大工作比螺旋線(xiàn)功率行波管。該管采用無(wú)截獲柵控電子槍、帶相速跳變的慢波系統、PPM 聚焦系統、兩級降壓收集極和強迫風(fēng)冷。該管電子槍、慢波系統、收集極和磁聚焦系統的設計采用了CAD 技術(shù)，在高頻段與收集極間使用了再聚焦減少電子返轉技術(shù)，加上整管良好的散熱與可靠的包裝結構、嚴格的裝配工藝，最終保證了行波管有很高的效率，很大的平均功率、很好的過(guò)激勵特性及能在機載的嚴酷環(huán)境條件下可靠工作。
1. 引言
2006 年，在完成4kW、3%螺旋線(xiàn)行波管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)A 管）的研制任務(wù)后，我們開(kāi)始研制4kW、6%的螺旋線(xiàn)行波管。由于整機已定型，因此所有指標及外形、安裝尺寸必須與整機上的行波管相同。
根據用戶(hù)給定的指標和外形尺寸，該管應為螺旋線(xiàn)行波管。對螺旋線(xiàn)行波管而言，五百兆帶寬不算寬，34dB 的增益也不高，關(guān)鍵是6％的工作比，兩級降壓收集極以及大于30％的總效率。這三項指標也正是該項目的難點(diǎn)所在。2003 年，在限定的尺寸內，我們做出輸出功率4kW、工作比3%、一級降壓收集極、總效率大于25%的行波管。2005 年，我們研制出兩級降壓收集極。這些都為4kW、6%的螺旋線(xiàn)行波管研制打下了良好的基礎。
2. 技術(shù)指標
X 波段，帶寬0.5GHz；脈沖輸出功率4kW，工作比6%；兩級降壓收集極，總效率大于30%；SMA 同軸輸入, FBP-100L 法蘭輸出。
3. 研制方案
由于無(wú)樣管，我們只能針對該管的特點(diǎn)、進(jìn)度要求、工藝的繼承性及我廠(chǎng)當時(shí)的情況，在A(yíng)管的基礎上，改善螺旋線(xiàn)散熱結構。設計時(shí)要求行波管必須具有高可靠的電子槍?zhuān)苣偷蜌鈮杭澳芎纳⒏吖β实母呖煽績(jì)杉壗祲菏占瘶O，具有高電子互作用效率的螺旋線(xiàn)慢波電路，正確的PPM 聚焦系統以及高可靠的結構設計。
3.1 總體設計
3.1.1 電壓、導流系數及電子效率
對于替代管，電壓、電流都是確定的。
根據用戶(hù)用戶(hù)技術(shù)指標，選同步電壓Uo＝12kV，陰極電流 Ikp＝1.65A，這時(shí)導流系數
Pμ＝1.25μP；若輸出功率Pout ＝4kW ，則電子互作用效率 ηe＝0.20。
3.1.2 電子注流通率、收集極降壓及總效率
由常規計算及經(jīng)驗估算得出：
若Uo＝12kV，Uc1＝8kV，Uc2＝4kV，Ib ＝24mA，Ic1＝50mA，Ic2 ＝25m，Pout ＝4kW，則總效率η＝0.304。
3.2 電子槍設計
3.2.1 電子槍參數
電壓12kV，電流 1.65 A，導流系數 Pu=1.25μP，注半徑 b=0.6 mm
3.2.2 CAD計算
A 管電子槍總體指標滿(mǎn)足該管的要求。我們通過(guò)烏克蘭軟件包里的optic程序對A 管電子槍加新的磁路結構進(jìn)行計算調整，計算得到的電子槍參數如下：
電壓12 kV，柵極電壓180 V，電 流 1.665 A，導流系數 Pu =1.26μp，注半徑 b =0.59 mm，射程Zm =16 mm。帶磁場(chǎng)的電子槍計算結果見(jiàn)圖1：
3.2.3 電子槍的結構及可靠性設計
考慮該管為機載管，試驗條件比較苛刻，沖擊強度、掃頻振動(dòng)等要求遠高于一般行波管的試驗條件，所以，我們把電子槍結構強度、可靠性放在第一位。電子槍內的支撐件、熱屏蔽件均采用釬焊或激光焊，確保電子槍各個(gè)零部件結構的可靠性。
電子槍打火是A 管比較突出的問(wèn)題。我們做了以下改進(jìn)：
1. 提高電子槍內零件的光潔度；
2. 改進(jìn)連接件形狀，盡量減少尖角，同時(shí)在局部作遮擋；
3. 改進(jìn)槍殼，去除靠近聚束極的一個(gè)封接環(huán)，槍殼直徑略放大；
4. 槍殼焊接由銀焊改為銅銀焊，解決銀蒸發(fā)問(wèn)題；
5. 在槍內裝消氣劑。
3.3 慢波線(xiàn)的設計與振蕩的抑制
3.3.1 慢波線(xiàn)和夾持桿的選取
慢波線(xiàn)的設計經(jīng)過(guò)了兩個(gè)階段。第一個(gè)方案，慢波線(xiàn)采用了薄螺旋帶，夾持桿為矩形氧化鈹桿，b/a較大，考慮到該管頻帶較窄，故未采用相速漸變技術(shù)。2007 年初，我們做出了性能指標全部達標的行波管。但是，4 只行波管在6%工作比工作50 小時(shí)左右時(shí)，全部燒毀。我們及時(shí)對燒毀的管子進(jìn)行了解剖分析。從解剖管看，均是輸出螺旋線(xiàn)燒斷，且有夾持桿熔化現象。
經(jīng)討論，我們認為：
1) 管子工作時(shí)，管內溫度很高。當螺旋線(xiàn)支撐材料溫度超過(guò)500℃時(shí), 氧化鈹瓷導熱率隨溫度升高急劇下降，而此時(shí)氮化硼的導熱率明顯優(yōu)于氧化鈹瓷。
2) 受裝配方法影響，薄螺旋帶變形；薄螺旋帶功率容量不夠。
3) b/a 較大，影響了電子流通率；
4) 電子效率偏低。
針對存在的問(wèn)題，我們修改了設計方案：
1) 加寬加厚螺旋帶，加大螺旋線(xiàn)功率容量；
2) 夾持桿由矩形氧化鈹桿改為矩形氮化硼桿，確保導熱途徑暢通；
3) 加大輸出螺旋線(xiàn)內徑，改善動(dòng)態(tài)流通；
4) 采用相速漸變技術(shù)，提高電子效率。
3.3.2 慢波線(xiàn)的設計
我們現在使用的計算程序在電子槍計算時(shí)較準，但在高頻計算時(shí)偏差太大。而相速漸變離開(kāi)計算機幾乎不可能實(shí)現，在國內外所有文章中都不會(huì )出現跳變的具體數據。在哪兒跳？跳多少？
在無(wú)任何其他新程序時(shí)，我們采用了計算和裝管相結合的方法，不斷總結經(jīng)驗，不斷修正程序，在一年多的時(shí)間內，我們進(jìn)行了上千次的計算，數十次裝管，最終將電子效率由18% 提高到23% ，圖3為相速漸變示意圖。
3.3.3 衰減與切斷
該管采用一次切斷。為了獲得高效率，輸入段增益低一點(diǎn)，輸出段增益盡量高一點(diǎn)。輸出段采用相速跳變后，起振條件改變了，輸出衰減器比原先縮短15mm。切斷兩邊設置的碳膜衰減器，實(shí)現了良好的阻抗匹配。
3.4 輸能裝置的設計
3.4.1 輸出窗
考慮到同軸與波導轉換處既要電接觸可靠，又要保證氣密，我們將波導接入了真空。這就帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是要加一個(gè)盒形窗，二是盒形窗有一定的高度，會(huì )占用管子下部的風(fēng)道。
早期盒形窗與波導用氬弧焊連接（圖6）。后改為盒形窗與波導直接硬焊（圖7）。這種結構更可靠，同時(shí)可以為風(fēng)道增加4.3mm 高度。
