行波管非對(duì)稱收集極的研究

　　目前行波管正朝著小型化、大功率以及高頻率三個(gè)方向發(fā)展。對(duì)行波管的收集極進(jìn)行一維或者多維尺寸的非對(duì)稱改進(jìn)是行波管小型化的重要途徑。橢圓收集極相對(duì)傳統(tǒng)圓收集極具有內(nèi)表面面積大、一維尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，是一種非�？扇〉氖占瘶O形狀。根據(jù)軸對(duì)稱電場(chǎng)幾何相似性定理，在收集極入口通過(guò)類(lèi)似四極透鏡作用將圓柱型電子注壓縮成為類(lèi)橢圓形電子注，更利于橢形收集極對(duì)電子的回收。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)重新設(shè)計(jì)的行波管橢圓收集極進(jìn)行仿真，為非對(duì)稱收集極設(shè)計(jì)提供參考。

　　行波管所具有的高效率、高功率及高頻率工作的優(yōu)點(diǎn)，在面對(duì)固態(tài)器件競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，依然具有很大的優(yōu)勢(shì)。為了滿足現(xiàn)代武器裝備的需求，行波管朝著小型化、大功率以及高頻率方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用的彈載、星載、無(wú)人機(jī)載以及微波功率模塊(MPM)等空間狹小的工作場(chǎng)合，對(duì)行波管的具體尺寸具有嚴(yán)格的要求。收集極作為行波管中徑向最大的部件，是制約行波管橫向尺寸縮小的主要原因之一。根據(jù)軸對(duì)稱電場(chǎng)幾何相似性，電極尺寸的同比例改變，電子軌跡形狀及尺寸與未改變前相似。因此要設(shè)計(jì)一個(gè)橢圓收集極，不僅將收集極的電極形狀改成橢形，而且要將收集極入口的圓形電子注壓縮成扁形電子注。這樣就利于橢圓收集極對(duì)電子的回收。

1、電子透鏡

　　四極透鏡是一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)，是在其對(duì)稱軸等距離處不同的方位角上對(duì)稱的放置兩對(duì)電極，相對(duì)兩極電位相同，相鄰電極電位不同，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其x 軸方向加電壓為正，y 軸加電壓為負(fù)。通過(guò)opera軟件模擬可以求出其內(nèi)部電場(chǎng)，其內(nèi)部電場(chǎng)矢量結(jié)果如圖1(b)所示。

圖1　四極透鏡及四極透鏡內(nèi)部電場(chǎng)示意圖

　　從圖1可以看出，如果電子注通過(guò)此種電極時(shí)，電子注中電子受電場(chǎng)力的大小、方向和其所在位置有關(guān)。在x 軸上的電子，受到的電場(chǎng)力方向?yàn)楸诚螂娮幼⒅行�，而在y 軸上的電子受到電場(chǎng)力為指向圓心。所以從電子注整體來(lái)看，電子注在x軸受到為拉伸的電場(chǎng)力，而在y 軸受到壓縮的電場(chǎng)力。由于考慮到實(shí)際收集極結(jié)構(gòu)，加載一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四極透鏡是非常不實(shí)際的。而在收集極第一極入口處往外伸出電極聯(lián)合管殼也能起到類(lèi)似四極透鏡的效果，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其中外圓為漂移段管殼其電位為0，伸出電極電位為-U，內(nèi)部電場(chǎng)矢量如圖2(b)所示。

圖2　電子透鏡及電子透鏡內(nèi)部示意圖

結(jié)論

　　在現(xiàn)代行波管朝尺寸更小的方向發(fā)展下。對(duì)行波管尺寸要求比較嚴(yán)格的環(huán)境，比如在微波功率模塊中，收集極一維尺寸直接影響其整體高度。用文中的方法可以將收集極的一維尺寸縮小，并且在收集極效率和返流率等衡量收集極好壞的重要指標(biāo)上變化很小。基本能夠滿足實(shí)際需求。