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W波段分布作用速调管的研制

韦莹 杨继涛 周军 李冬凤 欧阳佳佳 窦钺

韦莹, 杨继涛, 周军, 等. W波段分布作用速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
引用本文: 韦莹, 杨继涛, 周军, 等. W波段分布作用速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
Wei Ying, Yang Jitao, Zhou Jun, et al. Design of a W-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
Citation: Wei Ying, Yang Jitao, Zhou Jun, et al. Design of a W-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207

W波段分布作用速调管的研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ200503)
详细信息
    作者简介:

    韦 莹(1982—),女,硕士,高工,从事速调管器件研究;weiyingcetc@163.com

  • 中图分类号: TN122+.7

Design of a W-band extended interaction klystron

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-29
  • 修回日期:  2020-09-11
  • 网络出版日期:  2020-09-21

W波段分布作用速调管的研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
    基金项目:  国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ200503)
    作者简介:

    韦 莹(1982—),女,硕士,高工,从事速调管器件研究;weiyingcetc@163.com

  • 中图分类号: TN122+.7

摘要: 简要介绍了一种W波段分布作用速调管的设计思路、设计方案和模拟结果,并给出了该管的测试结果。该管采用大压缩比圆柱电子枪和永磁聚焦系统,阴极电压17 kV,阴极电流0.7 A;高频系统由5间隙和11间隙(输出腔)的分布作用腔组成,采用长短槽梯形结构。样管实现了脉冲输出功率大于2 kW、带宽500 MHz、增益40 dB、工作比5%等指标。

English Abstract

韦莹, 杨继涛, 周军, 等. W波段分布作用速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
引用本文: 韦莹, 杨继涛, 周军, 等. W波段分布作用速调管的研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
Wei Ying, Yang Jitao, Zhou Jun, et al. Design of a W-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
Citation: Wei Ying, Yang Jitao, Zhou Jun, et al. Design of a W-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200207
  • 近年来随着雷达技术的进步,微波功率器件也向着毫米波甚至更高的频段拓展。分布作用速调管(EIK)在高频段速调管中体现出不可替代的优势。国外对分布作用速调管的研究始于20世纪六七十年代,最早是由Wessel-Berg首次提出[1],在问世之初并没有引起人们的重视,但随着毫米波技术在军事和民用等多个领域上发挥着越来越重要的作用,近三十年来国外的EIK技术,尤其是毫米波EIK技术有了长足的进步,毫米波分布作用速调管在国外已经广泛应用于气象雷达、毫米波武器系统、地面和空间雷达系统、电子对抗系统、卫星通信系统、反隐身等,是大功率毫米波电子系统的核心部件。

    CPI公司在毫米波EIK的研究领域占据了领先地位[2-5]。其成功研制的分布作用速调管(EIK)和分布作用振荡管(EIO),频率范围从17 GHz到280 GHz,功率量级从几十W到几kW,带宽从几百MHz到2 GHz。该公司在W波段的典型产品有:空间用W波段EIK,脉冲输出功率2 kW,带宽250 MHz,工作比1.4%[6];宽带W波段EIK,脉冲输出功率500 W,带宽2 GHz,工作比10%[7]。此外,俄罗斯ISTOK和Toriy也开展了毫米波EIK的研制工作,SLAC则主要研究带状柱速调管(SBK),并已研制出W波段的带状柱速调管[8]

    由于起步较晚,国内毫米波EIK的设计水平和制管工艺仍落后于国外,目前国内开展EIK研究的单位主要有中科院电子所、绵阳九院、电子科大、北航,以及北京真空电子技术研究所等[9-13]。其中北京真空电子技术研究所二十年来一直在研究和应用分布作用技术,近年毫米波EIK的研究工作也取得了突破性进展,研制了一支脉冲功率2 kW,带宽500 MHz的W波段分布作用速调管,该管为国内首次研发成功的W波段EIK器件。

    • 该管工作在W波段,高频尺寸为mm级,功率容量、耐压、热耗均受到小尺寸的限制。同时,作为雷达的功放器件,考虑到雷达发射机的空间结构尺寸、重量和能耗等因素,工作电压也不宜过高。此外,零部件的加工方法我们倾向于选择成本适中且较为成熟的线切割、数控铣等。综合考虑现有加工水平和雷达的实际需要,我们设计并成功研制了脉冲输出功率2 kW的W波段分布作用速调管,样管的主要性能指标如表1所示。

      表 1  主要性能指标

      Table 1.  EIK major requirements and performance

      frequency bandband width/MHzpeak power/kWduty/%voltage/kVefficiency/%gain/dBfocus modecooling modeweight/kg
      W-band500≥2≥5≤20≥15≥40permanent magnetic focusingwater-cooling≤6
    • 该管选择了单注分布作用方案,整管由电子枪、聚焦系统、高频系统、输能窗、收集极等部件组成,各部件的设计方案为:1)采用大压缩比单注电子枪,钡钨阴极;2)筒形均匀永磁聚焦系统实现电子注聚焦;3)高频系统的群聚段为5个5间隙的分布作用腔,输出腔为11间隙的分布作用腔;4)输能窗采用盒形窗结构,窗片材料选择蓝宝石;5)采用液冷收集极,完成电子注剩余能量的耗散。

    • 电子光学系统包括电子枪和聚焦系统两个部分。电子枪采用单电子注而非电压更低的多电子注,原因在于:由于高频尺寸的限制,谐振腔体积极小,多个电子注在腔内排布困难;多电子注需要对应多个阴极发射体和多个漂移通道,结构复杂,工艺实施困难。相比较而言,单注方案结构简单,连接牢固,可靠性较高,无论是方案设计,还是零件加工,实现难度均较小。此外,单注电子枪可以设计采用为大压缩比的阴极,从而将阴极负荷降低到8 A/cm2以下,以提高电子枪的寿命。设计电子枪时,主要考虑聚焦极和阳极的形状和尺寸,使电极形状与电子轨迹平行(比如阳极的锥状入口),聚焦极孔径不宜过小,否则阴极边缘电场分布不均,不利于聚焦,本文设计的电子枪,聚焦极孔径与阴极孔径比值约为1.3。调整各电极的极间距离,获得0.32 µP的导流系数。图1给出了该结构电子枪利用EGUN程序模拟优化的计算结果。

      图  1  电子轨迹EGUN仿真结果

      Figure 1.  Electron trajectories of the electron gun

      电子注轨迹层流性良好,阴极电压17 kV,面压缩比179。电子注的聚焦系统采用的是筒型均匀永磁聚焦结构,聚焦系统由永磁体和纯铁组成,环形的充磁磁体采用的是钐钴材料。利用Maxwel软件对永磁聚焦系统进行设计和优化,优化的主要因素包括磁屏处的电子束入口直径、聚焦磁场强度、均匀区的平坦度等。图2为模拟得到电子注通道中心的轴向磁场强度曲线。聚焦磁场强度为0.9 T,均匀区为20 mm。电子束入口直径设置为1.2 mm,通道直径0.6 mm。图3为EGUN计算的二维电子轨迹图。

      图  2  轴向磁场分布图

      Figure 2.  Axial field Bz

      图  3  二维聚焦电子轨迹图

      Figure 3.  2D electron trajectories with magnetic field

      电子轨迹没有交叉,层流性好。为了进一步判断电子束在进入均匀区和离开均匀区时,是否收到横向磁场的不利影响,对电子束和聚焦系统的三维模型进行模拟计算,图4是CST软件的模拟结果。电子通过率接近100%。样管实测电子注静态流通率为96%。

      图  4  电子束聚焦三维模拟结果

      Figure 4.  3D electron trajectories with magnetic field

    • 该管的高频互作用段由多个分布作用谐振腔组成,工作模式为π模,群聚段选择了5个5间隙谐振腔,为展宽带宽,输出腔选择了11间隙的谐振腔。为了降低工艺难度,高频腔体设计为没有漂移管端头的梯型腔结构,考虑到增大模式间隔,选择了长槽与短槽相间的结构,与传统的重入腔比较,这种结构去掉了漂移管端头,腔体特性阻抗R/Q下降,不利于互作用效率和带宽,但因作用间隙的增加弥补了这一损失;长短槽梯型腔结构更大的优越性在于简化了腔体结构,降低了加工难度,同时由于漂移管不需焊接,没有焊料堆积,因而提高了腔体内壁的光洁度,减小谐振腔损耗;提高了腔体导热速率,增大腔体的功率承受能力,从而提高管子的整体效率和增益,得到更好的特性参数。等长槽的分布作用腔虽然电场分布很均匀,但是这样的结构非工作模式间隔小,只有300 MHz,容易引起振荡,而长短槽结构使得模式间隔大大增加,避免非工作模式引入的自激。

      利用HFSS软件分别对两者进行模拟计算,得到分布作用腔的π模电场分布和漂移通道的轴向电场分布如图5图6所示。

      图  5  5间隙腔电场分布

      Figure 5.  Electric field of 5-gap cavity

      图  6  11间隙腔电场分布

      Figure 6.  Electric field of 11-gap cavity

      图中可看出,由于梯型采用的是长短槽结构,导致电场在间隙处分布不均匀,在长槽处较强,短槽处较弱。计算可得谐振腔主要特性参数如表2

      表 2  多间隙腔主要特性参数

      Table 2.  Major parameters of the resonance cavity

      cavityfGHzR/Q)/ΩMlower frequency interval/GHzupper frequency interval/GHz
      5-gap95.621520.64612.87.35
      11-gap95.471840.4149.182.93

      如表可计算5间隙谐振腔R/QM2的乘积为63.4;11间隙谐振腔R/QM2的乘积为31.5,尚有优化的空间。非工作模式的频率间隔大于2.9 GHz,相对等长槽结构有较大的提高。

    • 确定电子束和高频谐振腔的设计参量后,还需进行注波互作用的模拟计算。采用大信号程序来考察参量选择的合理性,并根据模拟计算的结果对设计参量进行调整。

      多间隙腔由于腔内场的相互藕合,各个间隙电场并不是独立的[15],且由于互相耦合的间隙场分布复杂,难以用解析场型来准确模拟其分布。为简化计算,本文将多间隙谐振腔等效为单间隙谐振腔,在间隙处拟合建立高斯分布函数的电场。给定电子注电压、填充系数等参数,以及谐振腔品质因数、特性阻抗等,通过设置合理的漂移长度、频率分布,再根据计算结果反向优化电子注和谐振腔设计参数,从而保证工作频带内的输出功率、增益、效率等参量达到设计要求。这种等效计算的方法优点是运算数度快,可变参数较少,应用十分简便,但缺点也十分明显,这种等效不能完全反应出谐振腔(尤其是输出腔)多个间隙与电子注多次的能量交换,带宽和功率的计算误差较大,我们通过样管的测试数据与模拟结果进行比较,反过来调整大信号程序计算参数来使模拟结果贴近样管的实测数据,可将误差控制在80%~90%。各腔频率设置如表3所示。

      表 3  各腔频率

      Table 3.  Frequency of each cavity

      fcav1fcav2fcav3fcav4fcav5fcav6
      f0-0.1 GHzf0-0.35 GHzf0+0.3 GHzf0+0.6 GHzf0+0.8 GHzf0

      采用一维大信号程序模拟,得到饱和输出功率曲线如图7所示。计算可得饱和输出功率大于2 kW,带宽为550 MHz,增益大于40 dB。

      图  7  模拟的功率带宽曲线

      Figure 7.  Simulated power vs frequency

    • 该管输能窗为盒形窗结构,图8是利用HFSS模拟的输能窗驻波比。计算可得,80~98 GHz带宽内,输能窗的驻波比小于1.3。由于窗片厚度较薄,为增加结构强度,同时也减少损耗,窗片选用了蓝宝石材料,设计了液冷槽从而增大输能窗的功率容量,根据设计参数制造出了盒形窗,实测结果(图9)为:91.5~96.5 GHz带宽内,驻波比小于1.4。

      图  8  输能窗结构和驻波比

      Figure 8.  Window structure and VSWR vs. Frequency

      图  9  输能窗实测驻波比

      Figure 9.  Measured VSWR of window vs frequency

    • 目前,已应用以上方案研制出W波段分布作用速调管样管。图10为样管的峰值功率带宽曲线。测试结果为:工作电压17 kV,阴极电流0.78 A,激励功率小于200 mW,峰值输出功率大于2 kW,带宽为520 MHz,最大工作比为5%。样管实测结果与饱和输出功率的模拟结果基本吻合,实测带宽略小于模拟带宽550 MHz。

      图  10  输出功率带宽曲线

      Figure 10.  Peak output power vs frequency

    • 本文主要介绍了一支的W波段分布作用速调管的研制方案及测试结果,该管是国内首支W波段EIK器件,脉冲功率2 kW,瞬时带宽500 MHz,工作比5%,增益大于40 dB。我们认为平均功率和带宽仍有提升的空间,下一步将要开展的工作是优化分布作用腔和输能窗的结构,提高功率容量,展宽带宽,以扩展W波段EIK的应用方向。

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