L波段B1频段的高可靠空间行波管的制作方法

本发明涉及一种行波管，具体涉及一种160W的L波段B1频段连续波高效率、高线性度、小螺流、高可靠空间行波管。

背景技术：

卫星用途广泛，包括军事对抗、侦察、雷达应用、商业通信、宽带多媒体、气象应用、导航及通信等，有力地推动了各项事业的发展。空间行波管放大器作为用来末级功率放大的选择方案之一，备受关注，国外普遍采用空间行波管作为各类应用卫星的核心器件。由于卫星上可用能源和散热条件的限制，空间行波管必须具有高的能量转化效率。同时对于应用于卫星的空间行波管，不仅要满足输出功率、增益的要求，同时还必须具备较小的谐波分量和三阶交调分量的输出，以及较小的相位失真和较小的群时延等诸多非线性参量的要求。同时卫星系统要求在轨应用的空间行波管要满足≥12年寿命的要求，因此对空间行波管的螺流和可靠性提出了苛刻的要求。

伴随着各种不同功能卫星的高速发展，国家对空间行波管的数量和性能提出了越来越高的要求，空间行波管的研制难度越来越大。因此，为了满足卫星快速发展的需求以及实现关键技术、武器的自主可控，很有必要设计开发一种高效率、高线性度的L波段空间行波管。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种结构设计合理，总效率高，线性度好、螺流小、可靠性高的L波段B1频段空间行波管，本发明采用螺旋线慢波结构，对设计参数进行进一步优化选取，通过选取较小的γa获得较高的耦合阻抗，结合动态相速渐变技术和CAD的手段提高电子效率，同时满足高线性化需求；采用PPM聚焦系统保证高的流通率，减小螺流；输入采用标准SMA-50k接头，输出采用TNC接头，保证低的电压驻波比和高的输出功率；采用四级降压收集极提高整管效率并减小返流；采用一体式传导冷却散热结构和封装结构保证整管力学和热学性能，进而保证产品的高可靠性。本发明提供的L波段B1频段高效率、高线性度、小螺流、高可靠空间行波管是一种性能优越，创新性强，是一种可适用于导航卫星和通信卫星等卫星平台应用的空间行波管。

本发明提供的高可靠L波段B1频段空间行波管具有高效率、高线性度、小螺流的优点。本发明作为中国第二代卫星导航系统有效载荷核心组件，可实现国产化在轨应用，可实现60％以上的高效率、满足卫星系统集成需求的高线性度和满足可靠性要求的小螺流，产品在轨应用超过了5000小时工作，地面同状态产品1:1实现了14500小时的验证。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为：

一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，它包括聚焦极控制离子阱电子枪，慢波电路，固定在慢波电路外部的PPM磁聚焦系统，与慢波电路相连的同轴输入装置和输出输能装置，与慢波电路相连的四级降压收集极；

所述的聚焦极控制离子阱电子枪包括波纹形电子枪瓷环，安装在波纹形电子枪瓷环内部上方的阳极组件，安装在阳极组件下方的聚束极，安装在聚束极下方的阴极，与阴极相连的热丝，安装在阴极外周的第一热屏筒，位于第一热屏筒外周的阴极支撑筒，位于阴极支撑筒外周的第二热屏筒，第二热屏筒安装在支撑筒上方；通过刀口封接在波纹形电子枪瓷环顶部的枪壳定位环和安装在波纹形电子枪瓷环底部的吸气剂；所述的第二热屏筒下方设有屏蔽盖；

所述的慢波电路包括螺旋线，套在螺旋线外周的复合管壳，夹持在钨带螺旋线和复合管壳之间的品字形氧化铍夹持杆，所述的复合管壳外部的极靴焊接有散热片；慢波电路的径向传播常数γa选取为0.6-0.65；

慢波电路采用一次切断，慢波电路中的输入段及输出段均设置有集中衰减器；钨带螺旋线采用相速渐变技术；

所述的同轴输入装置采用SMA结构，其包括输入套筒，安装在输入套筒上的输能窗和介质，内导体穿过输能窗；

输出输能装置采用TNC结构，其包括输出套筒，安装在输出套筒上的输能窗装置和输能介质，输能内导体穿过输能窗装置；

所述的四级降压收集极为尖锥状，其包括收集极筒，环形排列在收集极筒内壁上的氧化铍瓷柱，分别安装在收集极筒内部，并且和氧化铍瓷柱紧靠的第一收集极、第二收集极、第三收集极和第四收集极；所述的氧化铍瓷柱内部开有通孔，第一收集极、第二收集极和第三收集极的高压引线从氧化铍瓷柱内部通孔引出后和陶瓷绝缘座相连，第四收集极高压引线与陶瓷绝缘座相连；

所述的第一收集极、第二收集极、和第四收集极和竖直方向的斜面角度分别为70度,52度,36度和25度,其中第三收集极顶部创新性采用斜口非对称设计，斜面角度与竖直方向角度为22度；

作为优选方案，以上所述的一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，聚焦极控制离子阱电子枪(1)中安装有阳离子阱。

作为优选方案，以上所述的一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，慢波电路采用采用正跳变～渐变～负跳变～正跳变的相速渐变结构；螺旋线内径为2.3；螺旋线螺距大小分别1.3mm、1.5mm、1.2mm、1.38mm。

作为优选方案，以上所述的一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，所述的PPM磁聚焦系统的周期为14mm。

总效率与输出功率、总功耗直接相关，在输出功率一定的情况下，高效率意味着较小的功耗，而总功耗与电子效率、收集极效率以及热丝加热效率即热丝加热功率息息相关。因此，在解决整管效率的问题上，本发明即从以下三方面入手:一方面优化慢波电路，提高电子效率并维持较小的非线性失真，同时优化收集极入口条件，另一方面优化调整收集极形状及尺寸，提升收集极效率并减小收集极返流，最后从热丝加热功率上需进一步提升电子枪保温效果，降低热丝加热功率，从而降低总功耗，满足整管效率要求。效率提升的同时要保证非线性指标满足。

本发明结构组成的筛选实验：

(1)径向传播参量γa的选择

常规屏蔽筒离螺旋线较远时，γa选取为1.3～1.6，但是对于本发明L波段行波管，若按常规选取，则尺寸远远超标，因此，为了实现高效率，本发明的γa的选取通过大量实验优化选取为0.6-0.65，优选得到耦合阻抗较高、尺寸小的慢波系统。

(2)CAD计算

(a)聚焦极控制离子阱电子枪，利用MTSS计算的电子枪仿真计算结果。

(b)慢波电路，采用相速渐变技术实现高效率和高线性度。

(c)输能系统

(d)聚焦系统

(e)四级降压收集极

(3)结构设计

(3.1)聚焦极控制离子阱电子枪

本发明的聚焦极控制离子阱电子枪有以下优点：

a、为保证电子枪中阴极长寿命，在电子枪结构上设置阳离子阱，可使阳极电位较管体高数百伏，形成离子阱效应，抑制电子注轰击高频部分产生的正离子回轰阴极产生不利影响，影响产品可靠性。

b、采用金属陶瓷结构，同时氧化铝瓷环采用波纹形状，可进一步增加耐压路径，增加耐压强度，提高电子枪工作的可靠性，大大降低产品打火概率。

c、为增强电子枪的抗电磁特性，增高定位阳极的封接环形成屏蔽筒，达到了电磁屏蔽的效果。

d、为增强电子枪保温效果，调整热屏结构，减小热屏筒与阴极支撑筒厚度，以减小热屏筒与阴极支撑筒的导热容量，提升枪芯的保温性能；设计双热屏结构，增强屏蔽效果，同时在阴极热丝组件尾部增加屏蔽盖，提高保温效果，降低热丝加热功率。

e、电子枪定位环处采用刀锋结构，可提高焊接可靠性，减小焊接对陶瓷封接面的热冲击，进一步提升电子枪工作可靠性。电子枪尾部加吸气剂，加强对电子枪区残余气体的吸附，提高电子枪区真空度，提高产品可靠性。

f、为实现空间行波管长寿命、高可靠，选取尽可能小的阴极负荷同时优化选择阴极的工作温度能够显著降低阴极表面发射活性物质的蒸发速度，同时减缓阴极表面膜层的退化速度，从而延长阴极的寿命。

(3.2)慢波电路，筛选不同轴向位置的输出功率的曲线图如图10所示。不同轴向位置的增益曲线图如图11所示。不同轴向位置的效率曲线图如图12所示。本发明慢波电路的互作用计算结果的曲线图如图13所示。

本发明的慢波电路有以下优点:

a、采用螺旋线型慢波电路，体积小，重量轻。

b、慢波电路采用一次切断，输入段及输出段均设置集中衰减器，防止内部振荡及反射，增强整管稳定性。

c、采用品形氧化铍瓷杆，一方面增强夹持可靠性，同时由于氧化铍良好的导热性增强慢波电路散热，提高整管工作可靠性。

d、在整个慢波电路均采取焊接散热片措施，加强整管散热性能和力学性能，提高了产品可靠性。

e、通过较小的螺旋线内径获得较高的耦合阻抗，实现高电子效率。本发明的径向传播常数γa选取为0.6-0.65。

f、采用相速渐变技术，实现相速的再同步，优选色散组合，保证电子效率的同时实现高线性度。

本发明的慢波电路可实现40％的电子效率。线性度谐波可控制在-20dBc以下，相移40度以下，群时延1ns以下。

(3.3)四级降压收集极

本发明的四级降压收集极有以下优点：

a、采用瓷柱开孔，前三级高压引线从小孔引出，保证各级绝缘安全。

b、全部高压引线从尾部引出，通过陶瓷绝缘，方式新颖独特。

c、优化设计电极倾斜角度、入口尺寸以及结合再聚焦磁场设计，有效防止返流电子由第一级进入慢波电路；采用斜口非对称结构，使得在电场作用下使电子轨迹产生偏转，有效抑制了一次电子、二次电子返转产生，电子返流情况得到明显改善。同时采用锯齿状尖锥结构提高收集极效率同时可大大减小收集极长度，实现收集极小型化特点。本发明的四级降压收集极收集极效率可达75％以上，最终实现整管65％以上的总效率，取得很好的技术效果。

(3.4)输能系统

本发明的输能系统有以下优点：

a、输入采用SMA结构，输出采用TNC结构，结构简单易行。

b、输入、输出输能结构均公用输能窗，输能窗既能使行波管形成密闭的空间，又能保证功率输出。

c、实现外传输线和螺旋线的良好的匹配，具有低电压驻波比特点，驻波可达到1.2以下。

(3.5)磁聚焦系统

本发明采用聚焦系统有以下特点：

a、采用PPM聚焦系统，重量轻、尺寸小。

b、使用低温度系数的钐钴磁钢，提高磁系统工作稳定性。并优化设计磁周期，实现高的流通率，本发明的磁系统周期优选为14mm。

有益效果：本发明提供的L波段B1频段的高可靠空间行波管具有以下优点：

本发明根据大量的工程计算及CAD计算与结构优化设计，取得了以下技术进步：

1、通过减小径向传播参量γa,可有效增大耦合阻抗，实现41％以上的电子效率，本发明的γa优选为0.6-0.65，同时通过选取较小的γa，整管的径向尺寸及轴向尺寸可得到大大降低，从而可实现整管高电子效率。

2、通过相速渐变，实现高电子效率的同时，优选色散组合，实现高线性度。在实现41％的电子效率的同时，谐波控制在-20dBc以下，相移控制在40度以下，可满足高线性度要求。

3、通过采用非对称电极、锯齿状四级降压收集极，可实现70％的收集极回收效率，结合41％的电子效率，最终使整管效率达到60％以上，满足高效率要求。

4、各部件实现小型化设计，最终本发明的L波段空间行波管整管重量可控制在2.15kg以下。

5、本发明通过对慢波电路、PPM磁聚焦系统和四级降压收集极的结构优化设计，最终本发明的L波段空间行波管螺流可以控制在1mA以内。

附图说明

图1为本发明提供的L波段B1频段的高可靠空间行波管的结构示意图。

图2为本发明提供的电子枪的结构示意图。

图3为本发明提供的电子枪的结构示意图。

图4为本发明提供的慢波电路的结构示意图。

图5为本发明提供的慢波电路的结构示意图。

图6为本发明提供的四级降压收集极的结构示意图。

图7是本发明提供的同轴输入装置的结构示意图。

图8是本发明提供的输出输能装置的结构示意图。

图9是本发明提供的聚焦系统的结构示意图。

图10是本发明慢波电路的不同轴向位置的输出功率的曲线图。

图11是本发明慢波电路的不同轴向位置的增益的曲线图。

图12是本发明慢波电路的不同轴向位置的效率曲线图。

图13是本发明慢波电路的互作用计算结果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1至图9所示，一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，其特征在于，它包括聚焦极控制离子阱电子枪(1)，慢波电路(2)，固定在慢波电路(2)外部的PPM磁聚焦系统(6)，与慢波电路(2)相连的同轴输入装置(3)和输出输能装置(4)，与慢波电路(2)相连的四级降压收集极(5)；

所述的聚焦极控制离子阱电子枪(1)包括波纹形电子枪瓷环(1-1)，安装在波纹形电子枪瓷环(1-1)内部上方的阳极组件(1-2)，安装在阳极组件(1-2)下方的聚束极(1-3)，安装在聚束极(1-3)下方的阴极(1-4)，与阴极(1-4)相连的热丝(1-5)，安装在阴极(1-4)外周的第一热屏筒(1-6)，位于第一热屏筒(1-6)外周的阴极支撑筒(1-7)，位于阴极支撑筒(1-7)外周的第二热屏筒(1-8)，第二热屏筒(1-8)安装在支撑筒(1-9)上方；通过刀口封接在波纹形电子枪瓷环(1-1)顶部的枪壳定位环(1-10)和安装在波纹形电子枪瓷环(1-1)底部的吸气剂(1-11)；所述的第二热屏筒(1-8)下方设有屏蔽盖(1-12)；聚焦极控制离子阱电子枪(1)中安装有阳离子阱。

所述的慢波电路(2)包括螺旋线(2-1)，套在螺旋线(2-1)外周的复合管壳(2-2)，夹持在钨带螺旋线(2-1)和复合管壳(2-2)之间的品字形氧化铍夹持杆(2-3)，所述的复合管壳(2-2)外部的极靴焊接有散热片(2-4)；慢波电路(2)的径向传播常数γa选取为0.6-0.65；

慢波电路(2)采用一次切断，慢波电路中的输入段及输出段均设置有集中衰减器；慢波电路(2)采用正跳变～渐变～负跳变～正跳变的相速渐变结构；螺旋线内径为2.3；螺旋线螺距大小分别1.3mm、1.5mm、1.2mm、1.38mm。

所述的同轴输入装置(3)采用SMA结构，其包括输入套筒(3-1)，安装在输入套筒(3-1)上的输能窗(3-2)和介质(3-3)，内导体(3-4)穿过输能窗(3-2)；

输出输能装置(4)采用TNC结构，其包括输出套筒(4-1)，安装在输出套筒(4-1)上的输能窗装置(4-2)和输能介质(4-3)，输能内导体(4-4)穿过输能窗装置(4-2)；

所述的四级降压收集极(5)为尖锥状，其包括收集极筒(5-1)，环形排列在收集极筒(5-1)内壁上的氧化铍瓷柱(5-2)，分别安装在收集极筒(5-1)内部，并且和氧化铍瓷柱(5-2)紧靠的第一收集极(5-3)、第二收集极(5-4)、第三收集极(5-5)和第四收集极(5-6)；所述的氧化铍瓷柱(5-2)内部开有通孔，第一收集极(5-3)、第二收集极(5-4)和第三收集极(5-5)的高压引线从氧化铍瓷柱(5-2)内部通孔引出后和陶瓷绝缘座相连，第四收集极(5-6)高压引线与陶瓷绝缘座相连；

所述的第一收集极(5-3)、第二收集极(5-4)、和第四收集极(5-6)和竖直方向的斜面角度分别为70度,52度,36度和25度,其中第三收集极(5-5)头部创新性采用斜口非对称设计，斜面角度与竖直方向角度为22度；

所述的第四收集极(5-6)的底部设有抑制二次电子发射的锯齿尖锥结构。

以上所述的L波段B1频段的高可靠空间行波管，所述的PPM磁聚焦系统(6)的周期为14mm。

以上所述的一种L波段B1频段的高可靠空间行波管，所述的色散组合为0.098312、0.11547、0.088739、0.11091。

本发明提供的L波段B1频段高可靠空间行波管，通过大量计算、实验，结构设计合理，效率高，线性度高，螺流小，重量轻，可靠性高。本发明通过优化电子枪结构，采用聚焦极控制离子阱电子枪，并采用波纹瓷结构，耐压更高，工作更加稳定，采用易于加工的螺旋线慢波电路，复合管壳结构，优化选取螺旋线内径，从而获得较高的耦合阻抗，并采用相速渐变，得到高效率、高线性度的慢波系统，采用非对称斜口、尖锥状四级降压收集极，抑制收集极返流，提高收集极效率，从而保证整管的高效率，最终实现导航、通信等卫星用的L波段高效率、高线性度、小螺流、高可靠空间行波管，可在轨正常工作超过5000小时，性能优越。