高平均功率回旋行波管收集极设计

摘要

毫米波由于它自身具备的特点，在雷达、电子对抗和通信领域发挥着重要作用，而回旋行波管作为一种采用快波结构的信号放大器，具有工作频带宽、输出功率高和增益高的特点，成为大功率毫米波技术研究领域中的重中之重。 在回旋行波管收集极的入口处，完成与微波换能的电子注继续轴向运动。具有一定能量的电子注在轴向逐渐下降的磁场作用下，运动到收集极内壁上，电子注剩余能量转化为热能，这部分热能被收集极外侧的循环液冷水流及时带走。若电子注收集区域过于集中，将导致收集极局部过高的温升。过高的温升会给收集极散热带来压力，并且影响管体内部的工作环境。提高收集极液冷效率，提升耗散电子注收集均匀性，是收集极设计的关键问题。本论文主要工作如下： 1. 为了确定收集极的单位面积功率容量及提升其功率容量，运用理论分析结合多物理场仿真，并且联合热测实验数据，得到了器件内最强电场分布、器件击穿电压随真空度变化关系、真空度与收集极耗散功率的对应关系以及收集极最高温度随耗散功率的变化关系。通过提高收集极材料热传导系数、液冷水流流速和改进液冷结构的方法提升了液冷效率，仿真分析了螺旋-波浪型微通道收集极结构，耗散密度在1.65 kW/cm2时，收集极最高温度和液冷水流最高温度低于各自温度门限，保证了最大耗散功率的有效收集。 2. 为了提高电子注在收集上的收集均匀性，从电子注在收集极的运动轨迹入手，用电子注相位函数?(r , v )描述收集区域的电子注分布，运用MATLAB编制收集密度程序。针对均匀磁场下单一状态的电子注，分别在直线收集极、等斜率渐变收集极和变斜率渐变收集极的情况下研究电子注收集面积问题和收集均匀性问题，通过变斜率曲线收集方式有效解决了电子注在收集极上的“尖峰”，使得耗散电子注收集更加均匀。 3. 研究了分层电子注收集问题。在斜线收集极均匀磁场条件下，得出了电子注收集形状随收集极倾角和电子回旋角的变化关系，并对编程计算中出现的收集“毛刺”问题给予了分析。针对渐变磁场下分层电子注收集，通过和均匀磁场时的收集密度对比，运用在收集极区域增加补偿磁场线包的方式来提高收集均匀性。利用CST软件分析得出，增加补偿磁场后对应的收集极结构具有较好的微波传输特性。

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