“风扇型”结构在多注行波管降压收集极中的创新性设计

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摘 要

行波管中，多注技术采用多个电子注穿过各自独立的通道进行并联工作，其目的就在于既能提高总的电子注导流系数，同时又不会使总的电子效率下降。而作为提高行波管效率的重要的一个环节，多注行波管多级降压收集极效率的提高至关重要。本文主要利用CST软件采用CAD模拟方法设计了一种“风扇型”结构，大大提高了收集极效率，降低了回收率。

【关键词】多注技术 多级降压收集极 风扇型 粒子模拟方法

现代行波管已成为雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、遥测等电子设备中的重要微波电子器件，广泛地用作微波设备中的末级功率放大器。行波管效率的高低是衡量其放大性、实用性等特性的关键。多级降压收集极是提高行波管效率的有效途径，在行波管设计中，多级降压收集极技术使得“作用完了”的电子注打到收集极上的速度接近于0在理论上得以实现，能够最有效的提高行波管的整体效率。而多电子注的应用不仅可以提高行波管的效率带宽乘积，而且可以大幅度降低工作电压。本文创新性地设计了一种“风扇型”结构，结构简单，容易加工，并在保证高效率、低回流方面有很好的效果。

1 多级降压收集极的工作原理

在高频系统中，一方面电子束与高频场互作用，电子会得到减速，另一方面，电子注与场的互作用又要求维持同步条件，电子的能量不可能在互作用区得到完全的利用，总会有一部分电子能量以动能的形式保留下来，因而电子利用率比较低。同时这部分电子若不得到利用，则会以热能的形式损耗掉，在大功率系统中还要加额外的冷却系统来避免系统过热。为了提高行波管的效率，就应该想办法减小这部分能量的消耗，同时减轻系统不必要的冷却装置。收集极通过提供一个低于互作用区的电位来在互作用区和收集电极之间形成电子流的减速场，使得在该场中运动电子的动能减小，同时动能转化为势能，最后以较小的动能到达收集极电极，使得产生的热量达到最小。收集的能量与收集极的电位有关，收集极电位如果低于慢波线的电位，则慢波线与收集极之间就出现了减速场，收集极电位越低，减速场越强，电子离开慢波线进入收集极时受到的减速越大，电子打上收集极电极表面的速度越小。因受减速而少消耗的这部分能量，由于电子在减速场中运动，电子对电源做功而将能量交回给直流电源了。这就是采用降压收集极提高行波管总效率的工作原理。采用收集极降压的方法，不仅可以减少能源的消耗、提高行波管的效率，而且，可以降低对冷却装置的要求，降低管子生产成本和维护费用。同时，为了更好的收集电子应有以下的一些准则：

（1）电子尽可能被低电位电极收集，但避免所有的电子到达同一点。

（2）电子按照能量（主要是指动能）的不同分类收集，使之因能量的不同到达不同的收集电极上。

（3）设计最合理的电极，尽可能使的电子速度减量达到最大（收集极效率最高）。

（4）收集极设计不应太过复杂（即用最简单最少的收集电级数达到最好的收集效果）。

2 收集极入口条件的分析

电子注在被收集极收集之前，进行了较强的注―波互作用，电子注速度零散非常严重。在收集极区域，互作用后的电子注电子轨迹还要受到空间电荷的径向偏转力的影响和收集极静电减速场的影响。在这种复杂的作用力影响和零散的速度影响下，合理的电位分配和结构设计至关重要。

以一级降压收集极为例，假设收集极电极和互作用之间的电位差为V1，则电子只要到达收集电极表面，收集极收集到的能量都为eV1，即电子的动能减少eV1，而场的势能增加eV1。假设电子进入收集极入口处时的能量为eV，如果V < V2，则电子不能到达收集极表面，因为在减速场中，当电子动能全部转化为势能时，电子还没有到达收集极表面，则电子就会反向加速，如果没有相应的阻拦措施，电子就会返回互作用区，这是我们所不愿看到的情况。如果V > V2，则所有电子都会打上收集极电极表面。在理想情况下（无互作用，电子具有相同的速度），最佳的收集效果是在V = V2时，此时的收集极效率为100。如2-1图所示为收集极电压V和收集极电极电流I之间的一个简单关系。

本文通过三级降压对某一高电子效率互作用段出口进行高效率收集极结构的设计。

3 收集极电极的优化设计

3.1 单注结构到简单三注的变换

多级降压收集极收集电子的物理过程的实质是电子在减速场中的运动，收集效率和电子回流是收集极设计的重要指标。在保证电子回流足够小的情况下，尽力提高效率是研究收集极的主要任务。图3.1所示为三级降压收集极，由简单的圆柱体与圆锥体组成。

单注与多注的入口没有本质的差别，采用三级降压收集，其最大可能的收集极效率和电压分配是一样的。单注与多注最主要的区别是多注收集极不仅要考虑与单注相同的影响因素，还要考虑电子注的返回电子通过其临近电子注通道的可能性。

假设3个电子注是以原点（0，0，0）为中心，半径4mm旋转对称排列的，那么各收集极收集的电子最远运动的R向坐标不超过4mm。以下假设电子注紧密排列进行收集极优化设计。将所得高效率单注结构设计成三注，如图3.2所示。

三注结构要保证其收集极效率与单注结构收集极效率同步，经大量仿真实验保证了这一点，但是其回流率依然很高。大量电子在被收集极收集时能量并未降为理想的“0”速度，这样直接打在金属壁上很容易激发出金属中的电子，大量高能电子返回互作用段将会产生很严重的后果，甚至烧坏整支管子。为了防止这一现象的发生就要对收集极结构进行进一步的优化设计。

3.2 “风扇型”结构

经过仿真实验发现，图3.2所示简单旋转对称结构效率低，回流率高，并且有电子通过临近通道电子注返回的情况，为了减少这种情况的发生，创新性设计了“风扇型”结构。如图3.3所示。由互作用段出来的电子能量分布散乱，大多数慢电子集中在前两级。在第一极添加“风扇型”结构，一方面可以阻止电子注间的相互串扰，另一方面可以及时吸收慢电子，以免其反向加速产生严重的回流现象。

4 实验结果

将某一高电子效率互作用出口能量分布作为收集极入口，“废”电子进入简单三注收集极与“风扇型”三注收集极后收集极效率与回流率对比如表1。

由表1可以明显看出，“风扇型”结构相比于普通结构由很好的提高效率，降低回流率的效果。在不考虑二次电子的情况下，回流电流由原简单三注的9.63mA减小为1.29mA，降低了返流造成互作用段严重后果的风险性。且加入“风扇型”结构后，每一极电极产生的热功率损耗也有显著降低，收集极能及时散热，有利于提高其使用寿命。

5 总结

通过大量仿真实验证明，“风扇型”结构的创新性设计在一定程度上提高了多注行波管多级降压收集极的收集效率，降低了其回流率。且其结构简单，易于加工，必能很好的应用于多注行波管的工艺制造，实现多注行波管整体效率的提高。

参考文献

[1]潘明明，吕国强等.多注行波管收集极的设计与模拟[J].真空电子技术，2008（01）.

[2]成红霞，刘逸群等.S波段空间行波管四级降压收集极的仿真及优化[D].中国电子学会真空电子学分会第学术年会论文集，2013.

作者简介

张晓冉（1991-），女，山东省莘县人。在读硕士研究生。研究方向为电子科学与技术。

作者单位

电子科技大学沙河校区 四川省成都市 610054