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S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制

李烨 李冬凤 王子威 闫松

李烨, 李冬凤, 王子威, 等. S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
引用本文: 李烨, 李冬凤, 王子威, 等. S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
Li Ye, Li Dongfeng, Wang Ziwei, et al. Development of S-band ultra wideband high average power multi-beam klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
Citation: Li Ye, Li Dongfeng, Wang Ziwei, et al. Development of S-band ultra wideband high average power multi-beam klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202

S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
详细信息
    作者简介:

    李 烨(1984—),女,硕士,高级工程师,从事高功率宽带多注器件研究;jltjbj@126.com

  • 中图分类号: TN122

Development of S-band ultra wideband high average power multi-beam klystron

  • 摘要: 介绍一种新型超宽带(带宽≥17%)S波段大功率超宽带多注速调管的研制过程及研制成果,该速调管首次在S波段实现了17%的相对带宽,带宽指标为国内宽带多注速调管首次实现。通过优化电子光学系统和高频段的参数设计、优化电子枪区的结构设计、优化整管散热系统设计等多项措施,提高电子注流通率及注波互作用效率,降低高频部分的散热压力,使该速调管仅在120 kW的峰值功率下实现了大于30%的效率及40 kW的平均功率。同时,通过近似连续波阴极发射电流密度的低阴极负荷设计、阴极区零部件多项预处理工艺措施等实现了3 ms脉宽的稳定工作及连续24 h稳定工作不打火。为实现3 min内满功率输出及2000 h的寿命,对阴极工作参数、电子枪区的工艺结构进行了反复优化。本项目在能够实现指标的前提下,进行了小批量的生产及车载环境的环境试验,并针对可能产生的不可靠性因素,进行了改进,使产品真正能实现工程化应用,为后续同类产品的设计提供有效的技术参考。
  • 图  1  单个电子注发射模拟

    Figure  1.  Electron beam emission curve

    图  2  电子光学系统计算结果

    Figure  2.  Electron beam optical system

    图  3  大信号模拟结果(按照频率点逐一计算)

    Figure  3.  Simulation results of power, efficiency and gain

    图  4  工作模式的电场分布矢量图

    Figure  4.  Electric field distribution of operating mode

    图  5  工作模式的磁场分布矢量图

    Figure  5.  Magnetic field distribution of operating mode

    图  6  输出窗计算模型

    Figure  6.  Simulation model of output window

    图  7  输入窗计算模型

    Figure  7.  Simulation model of input window

    图  8  输出窗驻波计算结果

    Figure  8.  Simulation results of output window standing wave

    图  9  输入窗驻波系数计算结果

    Figure  9.  Simulationresults of input window standing wave

    图  10  双间隙输出腔(特性阻抗1300)

    Figure  10.  Output cavity: double-gap cavity, R/Q=1300

    图  11  输出腔TM110,TM120,TM220的电场分布(上排)及磁场分布(下排)

    Figure  11.  Output cavity eigenmode distribution (TM110,TM120,TM220)

    表  1  测试结果

    Table  1.   Results of testing

    output peak power/kWoutput average power/kWefficiency/%gain/dB
    index≥120≥40≥30≥35
    results of testing≥125≥41.3≥30.3≥37.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-20
  • 修回日期:  2020-08-25

S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
    作者简介:

    李 烨(1984—),女,硕士,高级工程师,从事高功率宽带多注器件研究;jltjbj@126.com

  • 中图分类号: TN122

摘要: 介绍一种新型超宽带(带宽≥17%)S波段大功率超宽带多注速调管的研制过程及研制成果,该速调管首次在S波段实现了17%的相对带宽,带宽指标为国内宽带多注速调管首次实现。通过优化电子光学系统和高频段的参数设计、优化电子枪区的结构设计、优化整管散热系统设计等多项措施,提高电子注流通率及注波互作用效率,降低高频部分的散热压力,使该速调管仅在120 kW的峰值功率下实现了大于30%的效率及40 kW的平均功率。同时,通过近似连续波阴极发射电流密度的低阴极负荷设计、阴极区零部件多项预处理工艺措施等实现了3 ms脉宽的稳定工作及连续24 h稳定工作不打火。为实现3 min内满功率输出及2000 h的寿命,对阴极工作参数、电子枪区的工艺结构进行了反复优化。本项目在能够实现指标的前提下,进行了小批量的生产及车载环境的环境试验,并针对可能产生的不可靠性因素,进行了改进,使产品真正能实现工程化应用,为后续同类产品的设计提供有效的技术参考。

English Abstract

李烨, 李冬凤, 王子威, 等. S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
引用本文: 李烨, 李冬凤, 王子威, 等. S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
Li Ye, Li Dongfeng, Wang Ziwei, et al. Development of S-band ultra wideband high average power multi-beam klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
Citation: Li Ye, Li Dongfeng, Wang Ziwei, et al. Development of S-band ultra wideband high average power multi-beam klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200202
  • 随着雷达系统的迅速发展[1],速调管在现代新型雷达系统中依然具有重要地位。为提高其抗干扰能力和机动性,迫切需要展宽速调管带宽。速调管作为微波管家族的典型代表,特点为高功率、高增益和高效率,但带宽并不是其优势。因此展宽速调管的工作带宽,成为目前宽带速调管的研制重点,不同院所一直在为展宽带宽进行大量的研究工作[2-7]。目前国内S波段平均功率20 kW以上的速调管带宽为400 MHz,为中国电子科技集团公司第十二研究所研制。本文介绍一种最新研制的S波段大功率多注速调管的设计和研制过程,该速调管在S波段实现了17%的相对带宽,且平均功率超过40 kW,最大脉宽3 ms,最大重频10 kHz,同时兼顾3 min启动工作,提高雷达机动性。该速调管的研制,将国内S波段宽带大功率多注速调管提升至新的技术水平,目前该速调管已实现了小批量的生产,具备工程应用条件。

    • 本项目速调管的主要技术指标为:S波段;对带宽17%;动时间≤3 min;阴调;电磁线包聚焦;脉宽≤3 ms;重频≤10 kHz;工作比≥33%;峰值功率≥120 kW;平均功率≥40 kW;效率≥30%;增益≥35 dB;寿命≥2000 h;液冷;重量≤45 kg;外形尺寸≤724 mm×380 mm×240 mm。

      上述技术指标有以下难点:

      a)长脉宽

      本项目的最大脉宽为3 ms,为保证2000 h的寿命的实现,需要将阴极负荷降低到5 A/cm2以下,减少阴极表面物质蒸散[8-10],提高阴极工作寿命,该数值已接近连续波阴极负荷的设计参数。但较低的阴极负荷,需要更大的阴极发射总面积,并带来电子枪区其他零件、高频部分的漂移管、腔体等尺寸的相应增加,使伴随着设计、工艺难度的相应增加。

      b)宽带宽

      本项目相对带宽在17%,目前国内外尚无该指标的大功率宽带多注速调管。带宽的拓展,需要增加互作用长度、提高电子注与高频的能量交换效率、保证输入输出部件在频带内的匹配等等。目前在高频段,可以采用EIK的技术手段实现,但由于S波段频段较低,群聚段采用多间隙结构,会产生较多的非工作模式,并且部分分布在频带内,部分非工作模式无法通过有效的技术手段抑制。

      c)平均功率

      由于重量和小型化的设计要求,高效率的管体和收集极散热系统是实现高平均功率下可靠性的重要保证。由于本项目高压工作的总平均功率在133 kW左右,因此为保证收集极的热可靠性,需要设计平均功率在140 kW以上,为保证小型化,收集极必须采用高效率冷却设计。

      d)高效率

      影响本项目效率的两个因素分别为低峰值功率和宽带宽。速调管的典型特点为高功率窄带器件,峰值输出功率越高,同等带宽下效率越高。而本项目的峰值功率仅有120 kW,同时兼顾17%的相对带宽和30%极大地增加了电子光学系统、互作用系统的设计难度。

    • 阴极负荷在3.94 A/cm2。聚焦磁场强度选择两倍的布里渊磁场即0.17 T左右。利用小信号软件,设计速调管的全部工作参数。图1为单个电子注的发射状态模拟结果。经过对阴极、聚焦极、阳极尺寸及各电极之间距离的优化设计,得到层流性好、射程足够的电子注。在完成电子注初始发射设计后,需要设计聚焦磁场,并对电子注在聚焦磁场中的状态进行反复模拟。根据速调管指标,聚焦系统的布里渊磁场约为0.068 T,为提高电子注流通率,保证速调管的稳定工作,本项目的聚焦磁场选择3.2倍的布里渊磁场即0.2 T左右。设计过程通过不断调整电子枪在磁场中的位置、磁场强度等,使电子注全部到达收集极,不提前散焦。图2为经过反复优化后,电子注在聚焦磁场中的聚焦情况。

      图  1  单个电子注发射模拟

      Figure 1.  Electron beam emission curve

      图  2  电子光学系统计算结果

      Figure 2.  Electron beam optical system

    • 综合考虑效率、聚焦磁场在各漂移管的均匀性等因素,本项目选取基模TM110作为工作模式,群聚段单间隙重入式谐振腔,输入、输出腔采用双间隙谐振腔,共有10个谐振腔。理论上,增加谐振腔的数量,能够使增益和效率得到改善。但是由于聚焦磁场需要满足均匀性,工作长度内的磁场波动保持在0.02 T以内,过长的聚焦系统很难实现这一要求。本项目的平均功率在40 kW以上,管体耗散大约在15 kW左右,如果增加腔体数量,导致流通率下降,速调管的管体耗散功率将在20 kW以上,容易导致速调管放气,损坏阴极,引起速调管工作寿命的减少甚至损坏。利用大信号模拟软件,计算满足功率、增益、效率、功率波动等技术要求的谐振腔特性及排布,并根据计算结果设计各谐振腔工作参数,计算结果见图3

      图  3  大信号模拟结果(按照频率点逐一计算)

      Figure 3.  Simulation results of power, efficiency and gain

      在完成高频段工作参数的设计后,按照各个谐振腔的工作频率和其他参数,设计谐振腔。谐振腔的群聚段工作模式的场分布见图4图5。本项目选择基模TM110工作,即因为基模TM110谐振腔的特性阻抗相对于其他高次模式,能增加50%以上,效率增加10%以上。

      图  4  工作模式的电场分布矢量图

      Figure 4.  Electric field distribution of operating mode

      图  5  工作模式的磁场分布矢量图

      Figure 5.  Magnetic field distribution of operating mode

    • 内收集极热负荷在300 W/cm2左右,19个电子注同时进入一个收集极,不对电子注进行单独回收。整个收集极采用内外双层水套的结构设计,并在内外水套表面增加沟槽结构。通过湍流设计,实现最大的热交换效率,减少收集极部件的结构尺寸,降低整机系统的供水压力。该收集极部件的重量仅为7.2 kg,即实现平均142 kW的散热功率。

    • 输出窗采用波导窗,氧化铍瓷窗片;输入窗采用同轴窗,氧化铝瓷窗片。仿真模型和仿真结果见图6图9。本项目的输出窗也可选择氧化铝陶瓷,但由于项目有小型化要求,氧化铝结构的输出窗,不能满足项目的结构尺寸要求。本项目的带宽较宽,不能满足窄带对鬼模的要求,根据速调管的实测结果,在保证工艺设计要求的条件下,鬼模远离带外200 MHz即满足设计要求。

      图  6  输出窗计算模型

      Figure 6.  Simulation model of output window

      图  7  输入窗计算模型

      Figure 7.  Simulation model of input window

      图  8  输出窗驻波计算结果

      Figure 8.  Simulation results of output window standing wave

      图  9  输入窗驻波系数计算结果

      Figure 9.  Simulationresults of input window standing wave

      本项目的输出窗在700 MHz内的驻波均系数均小于1.1,损耗低于0.3%。同轴输入窗的1000 MHz驻波均系数小于1.15,损耗低于0.3%,满足使用要求。

    • 为保证效率的实现,输入、输出腔采用了双间隙谐振腔,将特性阻抗提升1倍。该双间隙谐振腔工作在基膜的2π模,见图10。选择2π模工作而非π模的原因在于本项目平均功率大于40 kW,高频状态工作时,由于部分电子注散焦,整个高频段电子注轰击产生的功率在15 kW左右,其中以输出腔为重点热耗散区,2π模的腔体结构尺寸较大,可以增加输出腔的功率耐受。

      图  10  双间隙输出腔(特性阻抗1300)

      Figure 10.  Output cavity: double-gap cavity, R/Q=1300

      当谐振腔选择为双间隙时,其本征模式数量增加2倍以上,部分高次模式的2π模和π模都可能引起自激振荡,部分模式的场分布见图11。通过拉远非工作模式的频率与工作模式的频率间隔,并在非工作模式磁场分布的位置放置衰减陶瓷,减小非工作模式Q值的办法实现振荡的抑制。

      图  11  输出腔TM110,TM120,TM220的电场分布(上排)及磁场分布(下排)

      Figure 11.  Output cavity eigenmode distribution (TM110,TM120,TM220)

      同时采用先进的工艺手段减少群聚腔的漂移管正对面积,保证特性阻抗(R/Q)在840左右,充分保证效率的实现。

    • 为保证项目的增益和功率波动,本项目的谐振频率仅有两个腔分布在频率低端,其它腔均分布在频率高端,同时将低端腔体的3 dB带宽增加到120 MHz以上,降低频率低端的高增益,减少自激,提升速调管的工作稳定性。本项目输入输出均加载多极滤波器系统,通过加载滤波器系统,可以增加腔体的带宽。由于本项目的相对带宽为17%,3级滤波器可以在-5 dB范围内实现滤波器带宽,增加至4级滤波器,可以实现-3 dB范围内实现滤波器带宽。通过速调管实测表明,使用4级滤波器,输出功率波动能够满足输出功率的波动要求,且工作频带内不存在功率凹点;而3级滤波器系统由于波动较大,在滤波器曲线波谷位置的频点,在测试时,功率不满足120 kW的技术要求。

    • 速调管外形尺寸为712 mm╳360 mm╳235 mm,重量39 kg。为降低整机水冷系统的复杂性,本项目速调管共有2路冷却,输出窗的冷却并入管体,并在管体入液处进行分流。本项目的收集极和管体之间增加瓷环,能够将管体电流和收集极电流分开计算,通过管体电流的数值变化,在速调管工作过程中判断其状态。

    • 由于本项目的特殊性,无法在论文中给出项目工作的具体频率。因此所有的测试结果中,工作频率的确定,按照固定的频率间隔,划分多个数字点给出。测试结果见表1。本项目的速调管共进行了一轮调整。第一轮制管2支,30 MHz的频段内功率不满足要求。第二轮制管过程中,将工作在频率高端的谐振腔谐振频率调低,平衡频带内的功率。从测试结果看出,该批次速调管实现了指标要求。

      表 1  测试结果

      Table 1.  Results of testing

      output peak power/kWoutput average power/kWefficiency/%gain/dB
      index≥120≥40≥30≥35
      results of testing≥125≥41.3≥30.3≥37.5
    • 经过近十年的研究,S波段宽带速调管的工程应用水平已经从带宽200 MHz发展成为带宽400 MHz以上,而本类型的速调管的研制,更是将宽带速调管的设计水平直接提升一个新的阶段。本项目共制管8支,合格产品6支,其中导致无法实现高成品率的原因主要是产品的工艺较为复杂,涉及多级焊接,且气密焊缝较多。因此本项目后续的工作是如何进一步优化速调管的工艺过程设计,提升成品率,能够使产品得到更好的应用。

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