一种高效率轻量化Q波段空间行波管的制作方法

一种高效率轻量化q波段空间行波管
技术领域
1.本发明属于电真空器件技术领域，更具体地说，特别涉及一种高效率轻量化q波段空间行波管。


背景技术：

2.我国现有的通信系统对重大自然灾害抢险救灾缺乏有效保障手段，对远海和高纬度地区没有通信能力，针对全球范围内的维和和维权、救援和科学考察、资源运输等活动没有我国主导的通信网络，信息安全保密存在重大隐患，迫切需要建立我国自主可控的卫星移动通信系统。工作于低地球轨道的通信卫星由于采用各种部件小型化和轻型化的技术，具有质量轻、研制周期短、成本低和易于发射等优点。因此，采用低轨卫星通信来解决对我国所有国土面积的覆盖问题是目前较好的可行方案。加强低轨卫星通信技术研究，尽早建立我国自主的低轨卫星通信星座系统非常有必要。
3.现阶段q波段空间行波管国产化产品正在研制定型阶段，还未有公开报道的满足我国低轨星座卫星互联网建设工程要求的产品。
4.于是，有鉴于此，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提供一种高效率轻量化q波段空间行波管，以期达到更具有更加实用价值性的目的。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决现有国产化q波段空间行波管的空缺问题，提供一种适用于低轨卫星通信系统用的高效率、轻量化、高可靠性的q波段52w连续波空间行波管。
6.本发明高效率轻量化q波段空间行波管的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：一种高效率轻量化q波段空间行波管，包括超细电子注电子枪、慢波结构和多级降压收集极，所述超细电子注电子枪、慢波结构和多级降压收集极依次连接；所述超细电子注电子枪为双阳极电子枪，所述双阳极电子枪包括电子枪外壳，所述电子枪外壳的内部安装有一体式瓷，所述一体式瓷内部安装有枪芯组件，并在靠近枪芯组件的一端安装有阴极封接环，所述阴极封接环的内部安装有阴极，所述一体式瓷在靠近阴极的一端安装有聚焦极，所述一体式瓷在靠近聚焦极的一端还安装有两组阳极封接环，两组所述阳极封接环的内部分别安装有第一阳极和第二阳极；所述慢波结构包括管壳，所述管壳的内部安装有螺旋线，所述管壳的左右两端一侧分别连接有输入耦合装置和输出耦合装置。
7.进一步的，多级降压收集极包括收集极筒，所述收集极筒内部安装有瓷板，所述瓷板的内部依次安装有第一收集极芯、第二收集极芯、第三收集极芯和第四收集极芯。
8.进一步的，所述收集极筒的一端安装有引线瓷柱的阴极发射面直径≤1.5mm。
9.进一步的，输入耦合装置和输出耦合装置分别采用k2.4同轴接头和bj400连接器。
10.进一步的，所述输入耦合装置和输出耦合装置均通过仿真设计确定结构，具体为
利用cad技术进一步优化内部光学尺寸，主要为同轴耦合装置的内导体直径、波导耦合装置的盒形窗的内径与蓝宝石窗片的厚度，使得耦合装置电压驻波比小于1.4，利于信号传输。
11.进一步的，所述螺旋线相速跳变方式为先正跳变，再负跳变；在螺旋线后半段区域设置有四段相速渐变，第一段相速渐变最为平缓，第二段、第三段相速渐变的斜率比第一段大，最后一段相速渐变的斜率最大。
12.进一步的，所述螺旋线的带材采用铼钨合金，且主螺距为0.3mm、内半径为0.22mm。
13.进一步的，聚焦极和第一阳极的形状为漏斗形；第二阳极的形状为平板；聚焦极与阴极的相对位置采用负公差，严格杜绝聚焦极与阴极的相对位置偏大导致的电子注压缩过大，导致电子注层流性变差。
14.进一步的，还包括磁聚焦系统，所述磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统，并利用cad技术优化设计，重点优化超细电子注电子枪端前5个周期的磁场值，使得电子注刚进入慢波结构就能有较好的形态保持；后面的磁场值设计成阶梯上升，差值优化在50gs以内，以便实际配置磁场更加的均匀稳定，并且轴线外的磁场值也能更加符合设计值；对于部分需要较大纵向磁感应强度的区域，采用更大尺寸的钐钴磁钢以满足设计需求。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的q波段52w连续波空间行波管，采用超细电子注电子枪，解决动态电子注流通率低的问题；高频系统采用小规格带材绕制螺旋线，结合cad技术优化螺旋线相速跳变、渐变方式，降低相移、提高电子效率；采用四级降压收集极，通过优化各电极电子光学结构，提高回收效率；通过各部件的减重设计和结构力学试验，最终实现总效率≥45%，整管质量≤560g的高效率、轻量化的q波段空间行波管产品的应用需求。
附图说明
16.图1是本发明高效率轻量化q波段空间行波管的总体结构示意图。
17.图2是本发明高效率轻量化q波段空间行波管的超细电子注电子枪结构示意图。
18.图3是本发明高效率轻量化q波段空间行波管的慢波结构结构示意图。
19.图4是本发明高效率轻量化q波段空间行波管的多级降压收集极结构示意图。
20.图5为相速跳变、渐变分布图。
21.图6为饱和状态中频点输出功率分布图（左）和中频点增益分布图（右）。
22.图7为 回退状态相移分布图（左）和调幅调相分布图（右）。
23.图8为磁聚焦系统仿真结果图。
24.图中，部件名称与附图编号的对应关系为：1、超细电子注电子枪；101、电子枪外壳；102、第一阳极；103、第二阳极；104、聚焦极；105、阴极；2、慢波结构；201、管壳；202、螺旋线；203、输入耦合装置；204、输出耦合装置；3、多级降压收集极；301、收集极筒；302、瓷板；303、第一收集极芯；304、第二收集极芯；305、第三收集极芯；306、第四收集极芯；307、引线瓷柱。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于
说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
26.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例：如附图1至附图4所示：本发明提供一种高效率轻量化q波段空间行波管，包括超细电子注电子枪1、慢波结构2和多级降压收集极3，所述超细电子注电子枪1、慢波结构2和多级降压收集极3依次连接；所述超细电子注电子枪1为双阳极电子枪，所述双阳极电子枪包括电子枪外壳101，所述电子枪外壳101的内部安装有一体式瓷，所述一体式瓷内部安装有枪芯组件，并在靠近枪芯组件的一端安装有阴极封接环，所述阴极封接环的内部安装有阴极105，所述一体式瓷在靠近阴极105的一端安装有聚焦极104，所述一体式瓷在靠近聚焦极104的一端还安装有两组阳极封接环，两组所述阳极封接环的内部分别安装有第一阳极102和第二阳极103；所述慢波结构2包括管壳201，所述管壳201的内部安装有螺旋线202，所述管壳201的左右两端一侧分别连接有输入耦合装置203和输出耦合装置204。
29.其中，多级降压收集极3包括收集极筒301，所述收集极筒301内部安装有瓷板302，所述瓷板302的内部依次安装有第一收集极芯303、第二收集极芯304、第三收集极芯305和第四收集极芯306，所述收集极筒301的一端安装有引线瓷柱307。
30.其中，超细电子注电子枪1的阴极105发射面直径≤1.5mm。
31.其中，输入耦合装置203和输出耦合装置204分别采用k2.4同轴接头和bj400连接器。
32.其中，所述输入耦合装置203和输出耦合装置204均通过仿真设计确定结构，具体为利用cad技术进一步优化内部光学尺寸，主要为同轴耦合装置的内导体直径、波导耦合装置的盒形窗的内径与蓝宝石窗片的厚度，使得耦合装置电压驻波比小于1.4，利于信号传输。
33.其中，所述螺旋线202相速跳变方式为先正跳变，再负跳变；在螺旋线202后半段区域设置有多段相速渐变。
34.其中，所述螺旋线202的带材采用铼钨合金，且主螺距为0.3mm、内半径为0.22mm。
35.其中，所述聚焦极104和第一阳极102的形状为漏斗形；第二阳极103的形状为平板；聚焦极104与阴极105的相对位置采用负公差，严格杜绝聚焦极104与阴极105的相对位
置偏大导致的电子注压缩过大，导致电子注层流性变差。
36.其中，还包括磁聚焦系统，所述磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统，并利用cad技术优化设计，重点优化超细电子注电子枪1端前5个周期的磁场值，使得电子注刚进入慢波结构2就能有较好的形态保持；后面的磁场值设计成阶梯上升，差值优化在50gs以内，以便实际配置磁场更加的均匀稳定，并且轴线外的磁场值也能更加符合设计值；对于部分需要较大纵向磁感应强度的区域，采用更大尺寸的钐钴磁钢以满足设计需求。
37.本发明超细电子注电子枪1采用聚焦极控制双阳极电子枪，通过采用发射面直径≤1.5mm的小阴极，结合聚焦极104、第一阳极102、第二阳极103的电子透镜会聚作用得到面压缩比达到40：1的超细电子注，利用cad技术优化设计聚焦极104、第一阳极102、第二阳极103的形状和与阴极105的相对位置来保证超细电子注具有良好的层流性，利于后续的注波互作用。
38.如图5-7所示，慢波结构2采用螺旋线慢波电路，试验比对螺旋线202带料、宽度、厚度等参数后，采用小规格带材作为绕制螺旋线202的带材，改变螺距、内半径参数得到不同的相速，再利用cad技术优化相速跳变、渐变的分布来提高电子效率，降低相移，满足总体性能需求。
39.磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统，利用cad技术优化设计，减小电子注的脉动，稳定电子注的形态和层流性，对于部分需要较大纵向磁感应强度的区域，采用更大尺寸的钐钴磁钢以满足设计需求。如图8所示，经过多轮方案试验改进，提高与超细电子注电子枪的匹配性，得到良好的磁聚焦系统设计，提高了慢波系统的电子注流通率和注波互作用效率。
40.输入输出耦合装置，输入采用k2.4（f）同轴接头、输出采用bj400连接器。通过仿真设计确定输入输出耦合装置的结构，利用cad技术进一步优化结构降低耦合装置的插入损耗，保证能量传输的高效率。同时结构上考虑加强散热、小型化和高可靠，保证可靠性。
41.多级降压收集极3，采用四级降压收集极结构，利用cad技术进一步优化电子光学尺寸，提高收集极效率并进一步减小返流对高频特性的影响。同时结构上考虑电极芯和瓷板的减重设计、焊接的热应力释放，实现收集极的小型化、轻量化和高可靠性。
42.本发明提供的q波段52w连续波空间行波管，采用超细电子注电子枪，解决动态电子注流通率低的问题；高频系统采用小规格带材绕制螺旋线，结合cad技术优化螺旋线相速跳变、渐变方式，降低相移、提高电子效率；采用四级降压收集极，通过优化各电极电子光学结构，提高回收效率；通过各部件的减重设计和结构力学试验，最终实现总效率≥45%，整管质量≤560g的高效率、轻量化的q波段空间行波管产品的应用需求。
43.本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。