X波段螺旋線(xiàn)相位一致脈沖行波管的研制

行波管 寇建勇 北京真空電子技術(shù)研究所

　　本文簡(jiǎn)述了X波段350W 相位一致脈沖行波管的成功研制情況，并簡(jiǎn)單介紹了其應用和后續需求。

　　350W 相位一致脈沖行波管主要用于四路放大器功率合成試驗。對行波管的主要要求：小型化、高效率、低重量。研制目標是實(shí)現脈沖功率350W、平均功率56W 的空間用功率合成行波管。主要技術(shù)指標是：工作頻率X波段，帶寬620MHz，輸出功率350W，增益40dB，工作比16%，效率40%。

　　1、行波管設計和計算

　　本行波管的研制方案以原有的小型化行波管為基礎，進(jìn)行效率提高和其他改進(jìn)，并保證采取措施保證行波管的相位一致性。

　　原有小型化行波管樣管實(shí)現了在X波段輸出500W 的脈沖功率，工作比20%，效率大于35%。

　　1.1、無(wú)截獲柵控電子槍和周期永磁磁系統設計

　　采用預研課題的無(wú)截獲柵控電子槍和周期永磁(PPM)磁系統。圖1是行波管電子槍加PPM系統后的Opera-3D軟件的仿真結果。圖1(a)是軸上的磁感應強度的軸向值，圖1(b)是其電子軌跡。

行波管電子槍加PPM 磁系統后的模擬仿真結果

圖1　行波管電子槍加PPM 磁系統后的模擬仿真結果

　　1.2、高頻結構的高效率設計

　　為了獲得高的行波管的電子互作用效率，采用夾持桿的優(yōu)化與速度再同步技術(shù)兩條途徑。對螺旋線(xiàn)高頻慢波結構實(shí)施速度再同步技術(shù)來(lái)提高行波管的互作用效率。為了使行波管達到盡量高的總效率，提高電子互作用效率是必須研究的問(wèn)題，通過(guò)采用非均勻方式的輸出線(xiàn)路，結合CAD技術(shù)，對漸變線(xiàn)路的漸變位置、漸變段長(cháng)度和漸變強度對基波互作用效率的影響進(jìn)行了計算。圖2是MTSS三維仿真軟件大信號計算結果的一組功率和效率值。

采用漸變后的三維計算結果

圖2　采用漸變后的三維計算結果

　　1.3、行波管多級降壓收集極設計

　　原有小型化行波管采用三級降壓收集極，總效率35%。為保證本項目行波管效率達到40%，改用四級降壓收集極。圖3是四級降壓收集極的初步計算結果，其中圖3(a)是MSDC軟件的仿真結果，圖中電極之間的平行線(xiàn)及其延伸的淡色線(xiàn)是等電位線(xiàn)，其余的淡色線(xiàn)與深色線(xiàn)是原電子軌跡與次級電子的軌跡，原電子軌跡都從收集極入口出發(fā)，次級電子軌跡都在收集極電極邊界與原電子軌跡相連。其降壓效率為75.9%。圖3(b)是TWTCAD軟件對降壓收集極的中頻計算結果，圖3(c)是MTSS降壓收集極的三維中頻計算結果。

四級降壓收集極的仿真結果

圖3　四級降壓收集極的仿真結果

　　1.4、脈沖行波管相位一致性的設計和測試

　　北京真空電子技術(shù)研究所已具有相當成熟的連續波相位一致性行波管的控制技術(shù)，并且成功研制過(guò)相位一致的耦合腔脈沖行波管，但是相位一致的螺旋線(xiàn)脈沖行波管還是首次研制。脈沖行波管相位的一致性也在本項目的整機單位所做的功率合成中得到驗證。圖4為脈沖行波管的相位一致性測試原理圖。

脈沖行波管相位測試系統

圖4　脈沖行波管相位測試系統

　　3、結束語(yǔ)

　　X波段350W 相位一致脈沖行波管是螺旋線(xiàn)做高頻的相位一致性脈沖行波管。行波管具有高效率、小尺寸、重量輕的特點(diǎn)，研制水平達到國內領(lǐng)先水平。整機單位已經(jīng)利用本行波管完成了功率合成實(shí)驗，創(chuàng )造了一定的經(jīng)濟效益。目前以本行波管為基礎，用戶(hù)又定制了更高技術(shù)指標的拓展的行波管。