耦合腔行波管多級降壓收集極的模擬設計

耦合腔行波管多級降壓收集極的模擬設計本文中較全面地討論了多級降壓收集極的物理模型。通過分析3個工作頻率點高頻輸出端的電子注特性來設計多級降壓收集極:借助電子注層流性參量,對帶有再聚焦磁場的散群聚區(qū)開展優(yōu)化,得到磁場參量的初始值;運用電子軌跡等效電位圖,確定各電極的初步電位,通過收集極區(qū)構(gòu)造和電極電位的優(yōu)化得到較高的收集極效率;通過收集極的全面優(yōu)化使收集極效率得到了進一步的提高;在考慮二次電子發(fā)射情況下,對收集極構(gòu)造和電極電位開展優(yōu)化,在保證收集極效率的情況下使二次電子回流率為零。模擬結(jié)果說明:借助電子注層流參量設計出帶有再聚焦磁場的散群聚區(qū)使電子軌跡層流性得到較大改善;合理的構(gòu)造和電極電位能得到較高的收集極效率;二次電子發(fā)射對收集極效率影響較大,合理的調(diào)節(jié)外凸錐形電極的傾角能防止二次電子回流。此設計運用于一耦合腔行波管收集極的模擬計算,到達了良好的效果。

行波管是一種寬頻帶、高效率、大功率的微波功率放大器件,廣泛應用于雷達、通信、電視、廣播、電子對抗等各種電子設備中。多級降壓收集極(MDC)附加到行波管中,從互作用后的電子中回收可觀的能量,從而提高行波管的效率,改善散熱條件,減輕重量,提高了整管的穩(wěn)定性和可靠性。收集極效率和二次電子回流是收集極設計的重要指標。

采用計算機模擬計算,可以快速地開展多級降壓收集極設計,縮短設計周期,節(jié)約成本,降低損耗和浪費,提高設計水平和設計能力。多級降壓收集極模擬設計成為當前行波管設計制造過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外有不少學者借助模擬設計軟件對收集極模擬設計開展了研究。

耦合腔行波管相對于螺旋線行波管輸出功率大,但其頻寬較窄,電子效率較低,故耦合腔行波管更有必要采用降壓收集極回收廢電子能量,提高整管效率。本文主要是針對行波管內(nèi)收集極模擬設計開展的,通過對高頻輸出端高中低工作頻率點電子注特性分析,在大致確定再聚焦磁場、電極數(shù)及其電位和構(gòu)造的根底上考慮二次電子發(fā)射的收集極開展優(yōu)化設計。運用此設計對一耦合腔行波管收集極開展模擬設計,取得了良好的效果,同時為實際收集極的設計提供了一些分析方法和依據(jù)。1、物理模型1.1、帶有再聚焦磁場(PPM)的散群聚區(qū)

多級降壓收集極通常被分為散群聚區(qū)和降壓收集極區(qū)兩部分分別開展分析,所謂散群聚區(qū)是指從高頻輸出腔出口到收集極入口這一漂移段。在散群聚區(qū)已經(jīng)基本上沒有高頻電場的作用,磁場的聚***用也在減弱,但互作用后的電子的空間群聚依然存在,電子注的紊亂度較大,除此之外,快電子超越慢電子,產(chǎn)生軌跡交叉,故廢電子注能量及角度范圍較大。為有效收集廢電子,在散群聚區(qū)加上再聚焦磁場開展改善。它有兩方面的目的:減小空間電荷力的作用;減少電子注中橫向速度分量,使之變成可以被回收的縱向速度分量。衡量再聚焦區(qū)的標準是其對廢電子注層流性的改善程度。電子注的特性可用平均半徑〈r〉、平均角度〈α〉及角度偏差σ〈α〉來表示,σ〈α〉(均方根)是衡量電子注層流性的量。對于一個包含N個微粒的電子注,這些量的表達式為

其中,下標i和f表示開始和結(jié)束狀態(tài)。1.2、多級降壓收集極的工作原理

在高頻系統(tǒng)中,一方面電子束與高頻場互作用,電子會得到減速,另一方面,電子注與場的互作用又要求維持同步條件,電子的能量不可能在互作用區(qū)得到完全的利用,總會有一部分電子能量以動能的形式保存下來,因而電子利用率比較低。多級降壓收集極是在收集極內(nèi)形成適當分布的靜電場,經(jīng)過互作用后的電子注進入收集極,運動于這個減速靜電場中,最后按速度分類收集,動能比較大的電子打到電位比較低的電極表面,動能比較小的電子打到電位比較高的電極表面,如此,電子都以比較低的速度被收集。由于電子在減速場中運動,電子對電源做功而將能量交回給直流電源了。這就是采用多級降壓收集極提高行波管總效率的工作原理。多級降壓收集極設計的主要工作就是安排適當?shù)碾姌O位置和電位對進入降壓收集極區(qū)的電子注開展回收。為了更好收集電子,設計時應遵循以下準則:

(1)電子盡可能被低電位電極收集,但防止所有電子到達同一點；

(2)電子按照能量(主要是指動能)的不同分類收集,使不同能量的電子到達不同的電極上；

(3)設計最合理的電極,盡可能使電子速度的減量到達最大(收集極效率最高)；

(4)收集極設計不應太復雜(即用最簡單、最少的收集電極數(shù)到達最好的收集效果)；

限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細文章請郵件至作者索要。3、總結(jié)

帶有再聚焦磁場散群聚區(qū)對進入收集極區(qū)的電子軌跡分布有著重要的影響,從而影響收集極效率。散群聚區(qū)尺寸(長度和電子通道直徑)和再聚焦磁場參量(磁場峰值、磁場起點、磁場周期)是帶有再聚焦磁場散群聚區(qū)設計的關鍵,因此在實際設計中應考慮這幾個因素的影響。借助電子注層流性參量,調(diào)節(jié)再聚焦磁場和散群聚區(qū)可得到層流性良好的電子注。

根據(jù)進入MDC的電子注特性,描繪出散群聚區(qū)電子軌跡的等效電位分布圖,從而確定了收集極級數(shù)和初步電極電位。這樣,減小了計算仿真和實際設計的盲目性,從而方便了MDC的設計。借助模擬設計軟件,結(jié)合收集區(qū)的初步構(gòu)造可優(yōu)化出收集極效率較高的電極電位和收集極構(gòu)造。

二次電子對降壓收集極的效率和電子回流率有重要影響,而收集極效率與電子回流率又是考核降壓收集極設計的重要指標。根據(jù)打在優(yōu)化后收集極電極上原電子的平均能量和平均入射角度以及選用的電極材料確定真二次電子發(fā)射系數(shù)和背射電子發(fā)射系數(shù),借助模擬設計軟件對收集極開展精心的電子光學設計,大大改善了二次電子發(fā)射對收集極效率和回流率的影響,使模擬設計更接近實