[發(fā)明專利]一種收集極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610704884.8
• 申請(qǐng)日: 2016-08-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106298404B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡權(quán);孫麗娟;胡玉祿;朱小芳;楊中海;李斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01J23/027
• 分類號(hào): H01J23/027;G06F17/50
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心51203
• 代理人: 張楊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于行波管收集極的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及到收集極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取方法。

背景技術(shù)

作為微波設(shè)備中的末級(jí)功率放大器，空間行波管具有放大通訊信號(hào)、增強(qiáng)通訊質(zhì)量等作用，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中。作為衡量行波管質(zhì)量好壞的一個(gè)重要因素，行波管效率的提高是人們所追求的目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，提高行波管效率有兩種方法：一是通過(guò)改善互作用系統(tǒng)來(lái)提高行波管的效率；二是利用降壓收集極來(lái)回收從互作用段出來(lái)的“廢電子注”的能量。而通過(guò)第一種方法來(lái)提高收集極的效率是相對(duì)困難的，利用收集極來(lái)提高整管效率是目前為止提高整管效率的最有效的、最易實(shí)現(xiàn)的途徑之一。

行波管大致由五個(gè)部分組成：電子槍、慢波系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)及收集極。收集極就是對(duì)“工作完了”的電子進(jìn)行作用，來(lái)回收作用完了的電子的能量，從而達(dá)到提高行波管效率的目的。收集極可分為單級(jí)降壓收集極和多級(jí)降壓收集極，為了提高收集極的效率，一般采用多級(jí)降壓收集極。多級(jí)降壓收集極通過(guò)在各級(jí)電極上加不同的電壓在收集極內(nèi)形成適當(dāng)分布的靜電場(chǎng),形成的靜電場(chǎng)對(duì)經(jīng)過(guò)高頻互作用后的電子按速度進(jìn)行分類收集,使動(dòng)能大的電子打到較低電位電極表面,動(dòng)能小的電子打到較高電位電極表面,從而使電子都以比較低的著陸速度被收集。在此過(guò)程中將電子注的剩余能量回饋給電源,達(dá)到提高行波管總效率的目的。

由于多級(jí)降壓收集極是要對(duì)不同的能量的電子進(jìn)行分類收集，使得每一能量級(jí)的電子都被對(duì)應(yīng)的電極所收集，這個(gè)電極的電位值要能夠使得該電極最大程度的回收這個(gè)能級(jí)的電子。又由于每級(jí)收集極的電位和長(zhǎng)度尺寸是制約其效率和回流率的重要因素，所以收集極各級(jí)電壓及長(zhǎng)度值的大小便成為收集極設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參數(shù)。這里通過(guò)對(duì)入口條件進(jìn)行分析，計(jì)算電子打到收集極上時(shí)所產(chǎn)生的熱功率。根據(jù)電子打在收集極表面上所產(chǎn)生的熱功率的大小來(lái)計(jì)算收集極各級(jí)的長(zhǎng)度。

發(fā)明內(nèi)容

電子打到收集極上時(shí)，速度不為零的電子將會(huì)把自己的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能傳給收集極，如果收集極得到的熱量不能被及時(shí)散去，則收集極內(nèi)的熱量將會(huì)越積越多，溫度也將逐漸增高，溫度過(guò)高不但會(huì)影響收集極各方面的性能還會(huì)大大降低行波管的壽命。

由于行波管正在向小型化的方向發(fā)展，所以收集極的體積、重量在能保證收集極的效率、回流率的同時(shí)也是越小越好。但又因?yàn)槭占瘶O單位時(shí)間所能散發(fā)的熱量又與收集極的表面積成正比，表面積越大收集極單位時(shí)間內(nèi)的散熱就越多，表面積越小收集極單位時(shí)間內(nèi)的散熱就越少。所以當(dāng)入口條件給定時(shí)，入口電子的能量就已定了，由MTSS(Microwave Tube Simulator Suite,微波管模擬器套裝)可以計(jì)算出收集極效率最高時(shí)各級(jí)電極所加電壓的大小，則電子打到收集極各級(jí)上所產(chǎn)生的熱量就已定了。本發(fā)明假設(shè)電子均勻打在收集極的側(cè)壁上，根據(jù)電子打到收集極上所產(chǎn)生的熱量的大小來(lái)計(jì)算收集極各級(jí)的尺寸。這樣就可以保證收集極不會(huì)因?yàn)闊崃可⒉怀鋈ザ箿囟冗^(guò)高，從而降低收集極的性能和減少收集極的壽命。

技術(shù)方案是一種收集極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取方法，該方法包括：

步驟1：通過(guò)對(duì)收集級(jí)入口處電子的狀態(tài)進(jìn)行分析，利用MTSS計(jì)算收集極效率最高時(shí)，收集極各級(jí)所對(duì)應(yīng)的電壓值；

步驟2：利用MTSS所得到的收集極各級(jí)所對(duì)應(yīng)電壓值，計(jì)算出電子打到收集極上所產(chǎn)生的熱功率，使所產(chǎn)生的熱功率P_熱等于收集極自身的耗散功率P_耗，其中P_耗的表達(dá)式為：

P_耗＝α·S

式中α為收集極表面的平均耗散功率密度，S為收集極側(cè)壁的表面積；根據(jù)電子打到收集極上所產(chǎn)生的熱功率的大小P_熱計(jì)算出收集極的側(cè)壁表面積的大小；根據(jù)實(shí)際條件確定出收集極的外半徑及厚度，由此得出收集極各級(jí)對(duì)應(yīng)的電極長(zhǎng)度；

步驟3：根據(jù)步驟1獲得收集極各級(jí)所對(duì)應(yīng)的電壓值確定各級(jí)電壓待選區(qū)間；將收集級(jí)各級(jí)電壓±10％的電壓區(qū)間作為電壓待選區(qū)間；根據(jù)實(shí)際需要確定步長(zhǎng)d，在各級(jí)電壓待選區(qū)間中以步長(zhǎng)d遍歷所有電壓，遍歷過(guò)程中采用MTSS方法計(jì)算出該收集級(jí)的最高效率，卻將最高效率對(duì)應(yīng)的各級(jí)電壓值設(shè)定為收集級(jí)各級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓值。

本發(fā)明利用計(jì)算得出的電子打到各級(jí)上所產(chǎn)生的熱功率與收集極自身的耗散功率相等的關(guān)系，從而求出收集極各級(jí)的長(zhǎng)度的大小；然后利用計(jì)算得到的收集極的尺寸，在MTSS中對(duì)收集極進(jìn)行建模仿真并優(yōu)化，獲得效率高，壽命長(zhǎng)的收集級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1是收集極入口能量分布圖，電子注在不同壓降下所對(duì)應(yīng)的電流值。