多注行波管收集极的设计与模拟

多级降压收集极是提高行波管效率的有效途径,本文在粒子算法的基础上,编写了多注行波管收集极的专用软件,实现了电子收集的三维模拟,计算结果与二维程序进行了比较,并利用该软件设计模拟了一个五注行波管两级降压收集极,对计算结果进行了分析。     

用于倍频程带宽、高性能行波管的小型、81～83.5％效率的2级和4级降压收集极

在美国空军(USAF)——国家航宇局(NASA)共同制定的规划中,Lewis研究中心正在进行电子对抗行波管效率的改进工作,它是通过采用多级降压收集极(MDC)以及在该中心所探索的对耗能电子注的再聚焦技术来实现的。在本规划的分析阶段,计算了整个行波管的三维电子注轨迹。轨迹计算一直到耗能电子注的再聚焦区和降压收集极。对收集极效率、收集极损耗和管子总效率进行了验证和计算。在实验工作方面,首先对不用多级降压收集极的管子性能进行估测,然后对耗能电子注的对称性、圆度和速度离散作了分析。最后,装上了多级降压收集极,使其性能最佳并进行了估测。对于理想的行波管,三维理论表明:具有对称、圆型并有最佳再聚焦电子注的2级多极降压收集极在中心频带有81％的效率(多级降压收集极),而4级多级降压收集极有85％的效率。实验结果所获得的数据表明:一个倍频程带宽——(4.8～9.6)千兆赫、功率为330～550瓦行波管的2级和4级降压收集极的最小多级降压收集极效率分别为81％和83％。     

空间行波管多级降压收集极的设计和模拟

多级降压收集极被广泛地应用于空间行波管的设计中,本文介绍了一种四级降压收集极的设计和模拟方法。通过对某一空间行波管互作用后的废电子注信息进行分析,得到电子注在收集极的入口条件,并且根据电子注入口条件确定各电极的电位,用行波管模拟软件模拟废电子注在收集极内的发射情况,计算出收集极的效率,通过分析电子注粒子运行轨迹和能量分布,优化收集极边界条件和各电极电位设置,提高收集极效率,降低电子回流率。结果表明：利用此方法计算得到的收集极效率达到80%以上,该模拟分析方法对行波管收集极的研究设计具有参考价值。     

高效率偏心多级降压收集极的研究

本文以高效率、低返流率为优化目标,对K 波段行波管的多级降压收集极进行设计。通过MTSS 软件对收集极 进行优化,从模拟结果中可知：当电子注工作在动态时,考虑和未考虑二次电子的情况下,收集极的效率分别为82%和 79.15%,电子回流率分别为0.08%和0.39%。此结果满足毫米波行波管设计的要求,相关的实验测试正在进行中。     

D波段行波管三级降压收集极的设计

效率是行波管(TWT)的重要技术指标,为提高某一0.22 THz折叠波导行波管的效率,需设计多级降压收集极。对注波互作用后的电子注信息进行分析,估算收集极效率最高时的电压设置。利用电磁仿真软件对三级降压收集极电极结构和电压设置进行仿真优化,得到效率大于87.5%,回流电流小于0.328 9 mA的轴对称三级降压收集极;在第二电极入口采用斜口结构进行仿真优化,得到回流电流小于0.075 mA的非轴对称三级降压收集极。结果表明,采用斜口结构可以有效降低0.22 THz行波管多级降压收集极的回流电流。     

用于线性注管的一种新型静电聚焦降压收集极

本文从理论上比较了可用于降压收集极的各种形式的减速静电场。不考虑空间电荷,聚焦场比散焦场有更高的收集极效率η收集极。在双曲线场这一特殊情况下,η收集极是电子注发散角、电子注直径和电子注初始能量的函数。η收集极随1)电子注发散角的减少,2)收集极尺寸与电子注直径之比的增加,3)电子注初始能量的增加和收集极级数增加而增加。实验研究了一种用于脉升比为8分贝的周期永磁聚焦高功率双模行波管的双曲线场型三级降压收集极。在50％、75％和100％的降压条件下,管子效率在低功率模式上为26％,而在高功率模式上为34％,相应的收集极效率为76％和71％。     

高效率行波管的设计

采用速度渐变和电压跳变使行波管的电子注与电路中的波速再同步,改进了效率。文中详细叙述了二种采用降压收集极的 X 波段行波管的设计。     

耦合腔行波管电参量对降压收集极特性的影响

该文基于Orprogr软件,在X波段模拟设计出耦合腔行波管的期待电性能,并利用互作用后的电子注为入口条件,优化设计出收集效率大于71.5%、电子注着陆相对均匀的三级降压收集极。在上述条件下,讨论了电子进入收集极层流性(速度比)、电极形状、电极电压以及收集极内电场分布对电子运动的影响,从物理上给出了电子注在收集极表面着陆特点的详细分析。     

行波管非对称收集极的研究

目前行波管正朝着小型化、大功率以及高频率三个方向发展。对行波管的收集极进行一维或者多维尺寸的非对称改进是行波管小型化的重要途径。椭圆收集极相对传统圆收集极具有内表面面积大、一维尺寸小等优点,是一种非常可取的收集极形状。根据轴对称电场几何相似性定理,在收集极入口通过类似四极透镜作用将圆柱型电子注压缩成为类椭圆形电子注,更利于椭形收集极对电子的回收。利用计算机辅助设计软件对重新设计的行波管椭圆收集极进行仿真,为非对称收集极设计提供参考[1]。     

回旋行波管收集极初始条件的研究

为了确定回旋行波管收集极入口的初始条件,利用CST2009模拟回旋行波管静态电子的运动轨迹,以3D模型,更直观、形象的显示出电子在回旋行波管中的运动轨迹。模拟计算表明,在电子注电压为70kV,电子注电流为10．4A,工作磁场为l.5T时,回旋行波管的电子注发射出的电子最终降落在收集极的530～700mm处。模拟结果为回旋行波管的设计和收集极的热分析提供了有效的依据。