一种收集极结构参数的选取方法与流程

本发明属于行波管收集极的设计领域，涉及到收集极结构参数的选取方法。

背景技术：

作为微波设备中的末级功率放大器，空间行波管具有放大通讯信号、增强通讯质量等作用，广泛应用于卫星通讯系统中。作为衡量行波管质量好坏的一个重要因素，行波管效率的提高是人们所追求的目标。一般来说，提高行波管效率有两种方法：一是通过改善互作用系统来提高行波管的效率；二是利用降压收集极来回收从互作用段出来的“废电子注”的能量。而通过第一种方法来提高收集极的效率是相对困难的，利用收集极来提高整管效率是目前为止提高整管效率的最有效的、最易实现的途径之一。

行波管大致由五个部分组成：电子枪、慢波系统、聚焦系统、输入输出系统及收集极。收集极就是对“工作完了”的电子进行作用，来回收作用完了的电子的能量，从而达到提高行波管效率的目的。收集极可分为单级降压收集极和多级降压收集极，为了提高收集极的效率，一般采用多级降压收集极。多级降压收集极通过在各级电极上加不同的电压在收集极内形成适当分布的静电场,形成的静电场对经过高频互作用后的电子按速度进行分类收集,使动能大的电子打到较低电位电极表面,动能小的电子打到较高电位电极表面,从而使电子都以比较低的着陆速度被收集。在此过程中将电子注的剩余能量回馈给电源,达到提高行波管总效率的目的。

由于多级降压收集极是要对不同的能量的电子进行分类收集，使得每一能量级的电子都被对应的电极所收集，这个电极的电位值要能够使得该电极最大程度的回收这个能级的电子。又由于每级收集极的电位和长度尺寸是制约其效率和回流率的重要因素，所以收集极各级电压及长度值的大小便成为收集极设计过程中的重要参数。这里通过对入口条件进行分析，计算电子打到收集极上时所产生的热功率。根据电子打在收集极表面上所产生的热功率的大小来计算收集极各级的长度。

技术实现要素：

电子打到收集极上时，速度不为零的电子将会把自己的动能转化为热能传给收集极，如果收集极得到的热量不能被及时散去，则收集极内的热量将会越积越多，温度也将逐渐增高，温度过高不但会影响收集极各方面的性能还会大大降低行波管的寿命。

由于行波管正在向小型化的方向发展，所以收集极的体积、重量在能保证收集极的效率、回流率的同时也是越小越好。但又因为收集极单位时间所能散发的热量又与收集极的表面积成正比，表面积越大收集极单位时间内的散热就越多，表面积越小收集极单位时间内的散热就越少。所以当入口条件给定时，入口电子的能量就已定了，由MTSS(Microwave Tube Simulator Suite,微波管模拟器套装)可以计算出收集极效率最高时各级电极所加电压的大小，则电子打到收集极各级上所产生的热量就已定了。本发明假设电子均匀打在收集极的侧壁上，根据电子打到收集极上所产生的热量的大小来计算收集极各级的尺寸。这样就可以保证收集极不会因为热量散不出去而使温度过高，从而降低收集极的性能和减少收集极的寿命。

技术方案是一种收集极结构参数的选取方法，该方法包括：

步骤1：通过对收集级入口处电子的状态进行分析，利用MTSS计算收集极效率最高时，收集极各级所对应的电压值；

步骤2：利用MTSS所得到的收集极各级所对应电压值，计算出电子打到收集极上所产生的热功率，使所产生的热功率P_热等于收集极自身的耗散功率P_耗，其中P_耗的表达式为：

P_耗＝α·S

式中α为收集极表面的平均耗散功率密度，S为收集极侧壁的表面积；根据电子打到收集极上所产生的热功率的大小P_热计算出收集极的侧壁表面积的大小；根据实际条件确定出收集极的外半径及厚度，由此得出收集极各级对应的电极长度；

步骤3：根据步骤1获得收集极各级所对应的电压值确定各级电压待选区间；将收集级各级电压±10％的电压区间作为电压待选区间；根据实际需要确定步长d，在各级电压待选区间中以步长d遍历所有电压，遍历过程中采用MTSS方法计算出该收集级的最高效率，却将最高效率对应的各级电压值设定为收集级各级对应的电压值。

本发明利用计算得出的电子打到各级上所产生的热功率与收集极自身的耗散功率相等的关系，从而求出收集极各级的长度的大小；然后利用计算得到的收集极的尺寸，在MTSS中对收集极进行建模仿真并优化，获得效率高，寿命长的收集级。

附图说明

图1是收集极入口能量分布图，电子注在不同压降下所对应的电流值。

图2是入口文件里电子的基本信息，从左到右分别代表：电子在x,y,z方向的位置坐标，以及各方向上速度的大小分量，最后一列代表轨迹电流的大小。

图3是收集极的二维简化图以及最后打到收集极侧壁上的电子轨迹，我们假设最终被收集极收集到的电子都均匀打到了收集极的侧壁上。

图4是根据计算结果，在MTSS中所仿真出的收集极的截面图。

具体实施方式

下面结合图2所示的入口文件为例，来对收集极的结构参数进行计算，下面是对本发明的技术方案做的进一步的详细说明。

多级降压收集极的设计方法包括以下步骤：

(1)入口文件分析

收集极的入口能量图如图1所示，由收集极的入口能量分布图在MTSS中可以计算出收集极效率最高时收集极各级所对应的电压大小。

这里我们利用这个入口条件设计一个三级降压收集极，收集极各级的电压分别为：V₁＝-3400V，V₂＝-4500V，V₂＝-6700V。

以第一级为例，计算电子打在收集极各级上所产生的热功率：

如图2所示，入口电子的基本信息，里面包含了入口处所有电子的初始状态：第一、二行显示了螺旋线电压，电子轨迹数、轴向、径向、角向方向的电子数目等信息。从第三行开始，各个电子的信息被分为七列显示出来：第一到第三列，分别代表电子在入口处x、y、z三个方向上的坐标，由于是在入口处，所以电子在z向方向上的位置坐标均为0。第四到六列分别代表电子在x、y、z三个方向上的速度的大小。由图2可知，电子在x、y方向上的速度有正有负，这是因为电子有的是沿径向方向运动，有的是沿径向的反向运动，在z向方向上也就是轴向方向上，由于电子均沿轴向正向运动，所以第六列电子在z向的速度大小全为正。最后一列为各条轨迹电流大小。所以由图2可以得到入口处第i条电子轨迹内电子的能量的大小E_i，所应的电压降为u_i的表达式如下：

$E_i=\frac{m(v_x^2+v_y^2+v_z^2)}{2},(i=1,2,3...N)$

$u_i=\frac{E_i}{e}=\frac{m(v_x^2+v_y^2+v_z^2)}{2e},(i=1,2,3...N)$

其中，N为入口文件中电子轨迹数，这里电子轨迹的总数为2048条，u_i为第i条轨迹内电子所对应的压降。

下面对入口文件内的电子进行分析：设入口文件中的第i条电子轨迹内电子的动能为E_i，则当

e|V_j|≤E_i<e|V_j+1|

(其中j＝1,2,3，V_j代表第j级收集极所加电压的大小)时，电子将被第j级收集极所收集，该轨迹内的电子的功率为(由入口条件可知I＝3.9063×10^-5A，为各条电子轨迹的电流大小，N_j为被第j级收集极所收集的电子轨迹的数)，被收集极回收到的功率为P_回j＝N_j·V_jI。则打到收集极上产生的热功率P_热j＝P_j-P_回j。

以第一级为例，计算电子打在第一级收集极上面所产生的热量P_热1：

由上面的分析可知由V₁＝-3400V，V₂＝-4500V，V₂＝-6700V，则被第一级收集的电子轨迹共有N₁＝464条，则被第一级收集极所收集的电子在入口处的总功率P₁，第一级所回收的总功率为P_回1，以及电子打到第一级上面所产生的热功率P_热1可表示为：

$P_1=\underset{N_1}{\&Sigma;}{u}_{i}I$

P_回1＝N₁·|V₁|I

由以上公式及入口文件可得出：被第一级收集极所收集到的电子轨迹内电子的入口功率为P₁＝75.99W，被第一级收集极所回收到的电子功率为P_回1＝61.63W，以及电子打到第一级收集极上所产生的热功率P_热1＝14.36W。

同理可得，第二级收集极上面所产生的热功率P_热2＝27.76W。

(2)计算收集极各级长度的值

由于中小型行波管的收集极的散热一般采用自由散热的方法，这样收集极的平均耗散功率密度α＝12.0614W/cm²。所以可以根据收集极的散热能力以及电子打到收集极上面所产生的热量可以计算出收集极各级的长度大小。

由上面讨论可知，电子打在第一级收集极上面所产生的热功率P_热1＝14.36W。长度为h₁的收集极的热耗散功率为2π(R-d)·h₁·α，则第一级收集极的表面积至少为2π(R-d)·h₁时才能将热能及时发散出去，此时收集极的表面积满足：

P_热1＝2π(R-d)·h₁·α

其中R为收集极外半径的大小，一般为10mm，d为收集极侧壁的厚度，一般为0.5mm。这里代入则代入入口条件的计算结果可得第一级收集极的长度h₁＝2mm,同理可得第二级收集极的长度h₂＝3.9mm。

对于第三级，由于收集极要对DC环境(互作用部分没有加高频，电子的能量没有交给高频，电子注的总功率不变，此时电子的速度可以认为均为从电子枪出来的速度)下进行测试，所以电子打到第三级所产生的热量为：P_热3＝N·e(U-|V₃|)，其中U为螺旋线电压的值(这里U为7500V),又由第三级单位时间内可以发散的热功率为2π(R-d)·h₃·α,则有：

N·e(U-|V₃|)＝2π(R-d)·h₃·α

代入入口条件可以计算得出：h₃＝8.4mm。

(3)根据计算得出的收集极尺寸来对收集极进行建模并仿真

为收集极结构参数的计算值如表1所示，利用MTSS对收集极进行建模，并进行仿真计算。(4)优化收集极

根据电子轨迹来对收集极进行优化，使收集极的效率尽可能的高，回流率尽可能的降低。

利用MTSS对收集极进行建模以后，对收集极进行仿真计算，然后根据电子轨迹来对收集极进行优化。一般情况下，收集极各级电压的分布对收集极的效率、回流率产生很大的影响，所以要对收集极的电压进行扫描计算，这里分别对V₁,V₂,V₃的值进行扫描以取的效率最高时的电极电压组合。选取收集极效率最高时各级电压的值，再根据电子轨迹对收集极的各级的入口半径、长度等参数进行扫描计算，使电子尽量均匀的打在收集极各级表面上。

最终优化的结果是使收集极的效率尽量接近MTSS所计算出的最高效率，回流率尽可能的低。

表1是收集极结构尺寸的计算结果

表2是收集极的仿真结果