一种高波段空间行波管PPM结构优化设计方法

摘要

本发明属于微波真空电子器件技术领域，涉及一种高波段空间行波管PPM结构优化设计方法。本发明通过预设磁环偏移量在0.2mm以内的范围内，利用磁场仿真软件对磁环偏移的PPM极靴结构进行仿真，利用减小极靴内径可以降低磁环不对称时的磁场对称性，改善磁环装配不对称引起的磁场非对称性，进而大大提高了电子注流通率，优化后磁场非对称性明显降低，电子注波动变小。本发明相对现有技术提出了一种预处理的思路，在设计时优化PPM结构以降低装配导致磁环不对称引起的磁场非对称性，提高电子注流通率，降低行波管设计成本，有利于行波管向高波段发展。

说明书

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，涉及一种高波段空间行波管PPM结构优化设计方法。

背景技术

空间行波管是雷达、卫星、电子对抗等国防装备的重要核心器件。随着国防事业的飞速发展，空间行波管也正向高波段发展，但是电子光学系统是高波段行波管的一个主要技术难点，空间行波管波段上升后，螺旋线尺寸变得很小，电子注通道很细，互作用部分要有较长的长度，这对聚焦系统提出了很高的要求。高波段的PPM结构尺寸小，加工装配困难，聚焦系统的磁场细小的不对称都可能使得电子注摆动，降低电子注流通率，功率容量下降，甚至电子打断螺旋线损坏行波管。因此，高流通率、低脉动PPM的设计成为高波段空间行波管设计中关键部分。目前，磁导法和磁通法设计PPM结构是一种常用方法，得到初步设计方案后再使用电磁计算软件来模拟电子注聚焦情况，根据电子注聚焦情况优化PPM结构。

PPM结构中圆环形的磁环和极靴交错排列，圆环形的磁环在PPM结构装配中是通过把磁环分为两半装在管轴上的，但是这样容易在装配过程中出现装配误差，导致磁环不对称。磁环装配不对称可能会使得磁系统出现磁场不对导致电子在慢波结构中被截获。

目前，对于后续装配导致磁场非对称的调整方法有两种：一种是管子不动，转动磁环调整磁系统；另一种是在磁系统外表面贴永磁片或者软磁片来调整磁场非对称性，但是这种方法磁片不宜贴太多，否者导致整个聚焦系统体积过大，甚至可能过段时间后会发生散焦的情况。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决高波段行波管PPM结构的磁环在装配过程中由于分为两半出现的装配误差导致的磁场非对称性问题。本发明提供了一种高波段空间行波管PPM结构优化设计方法，通过设计时调整极靴结构来减小磁场非对称性,使得电子注流通率能够得到提高。

具体技术方案如下：

步骤1、运用磁场仿真软件对PPM结构和预设磁环偏移的PPM结构进行仿真得到两者的磁场分布；预设磁环偏移量≤0.2mm。

步骤2、减小极靴内径，记录每次减小极靴内径得到磁环偏移PPM结构的磁场分布。

步骤3、将步骤1和步骤2得到的磁场分布带入电子枪中观察磁场对电子注的约束情况，根据电子注波动情况及电子是否打到螺旋线来调整极靴内径,若没有达到电子注流通率的要求，继续调整极靴内径，直到电子没有打到螺旋线上，最后记录此时的磁场分布和极靴内径大小。

步骤4、将步骤3最后记录的极靴内径作为最终的高波段空间行波管PPM结构的极靴内径。

本发明通过预设磁环偏移量在0.2mm以内的范围内，利用磁场仿真软件对磁环偏移的PPM极靴结构进行仿真；利用减小极靴内径可以降低磁环不对称时的磁场非对称性，改善磁环装配不对称引起的磁场非对称性，进而大大提高了电子注流通率，优化后磁场非对称性明显降低，电子注波动变小。由于极靴具有导磁作用，极靴变厚使得磁环发出的磁力线在极靴的作用下往电子注通道内部的汇聚，而PPM结构的极靴具有对称性，汇聚后的磁力线具有更好的对称性，进而使磁场对称性提高。

综上所述，本发明相对现有技术提出了一种预处理的思路，在设计时优化PPM结构以降低装配导致磁环不对称引起的磁场非对称性，提高电子注流通率，降低行波管设计成本，有利于行波管向高波段发展。

附图说明

图1为实施例没有磁环偏移的PPM结构结构图；

图2为实施例磁环偏移的PPM结构图；

图3为实施例的第三块磁环结构；

图4为实施例的第四块磁环结构；

图5为实施例磁环未偏移时PPM结构的磁场约束下的电子注包络图；

图6为实施例磁环未偏移时PPM结构的磁场约束下的电子轨迹图；

图7为实施例磁环偏移时PPM结构的磁场约束下的电子注包络图；

图8为实施例磁环偏移时PPM结构的磁场约束下的电子轨迹图；

图9为实施例减小极靴内径时磁环偏移的PPM结构的磁场约束下的电子注包络图；

图10为实施例减小极靴内径时磁环偏移的PPM结构的磁场约束下的电子轨迹图；

图11为实施例的计算磁场对称性的示意图。

具体实施方式

下面以周期为4mm的10个周期PPM结构为例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

(1)运用电子科大开发的微波管套装模拟器(MTSS)对PPM结构和磁环偏移的PPM结构进行仿真得到其磁场分布；

实施例采用的PPM结构，如图1所示，圆环形的磁环和极靴交错排列，磁环材料为SmCo₂₈，极靴材料为纯铁_1008。磁环偏移的PPM结构，如图2所示，其中第三块磁环下半部分向y轴负向偏移0.2mm，如图3所示，第四块磁环上半部分向y轴正向偏移0.1mm,下半部分偏移向y轴负向偏移0.1mm,如图4所示。在MTSS中分别计算得到并导出上述未偏移的与偏移的PPM结构的磁场分布，分别将其磁场加载到电子枪的磁场计算中，得到电子轨迹及电子注包络图，如图5、图6、图7和图8。

(2)减小极靴内径r1，记录每次减小r1得到的磁场分布；

利用MTSS软件三维计算对磁环偏移的PPM结构的极靴内径r1进行扫描计算，减少极靴内径，当极靴内径r1＝0.7mm时，该PPM结构的磁场分布能够约束电子注使得电子不打到螺旋线上，电子注包络图、电子轨迹如图9和图10所示，记录下此时的磁场分布。

(3)比较磁环没有偏移、偏移、及减小极靴内径后的磁场对称性及结果分析。

如图11，磁场对称性通过比较同一个半径内x轴和y轴上A、B、C、D四个对称点的磁场模值，并取四个对称点上两两磁场模值间的最大相对误差。根据导出的磁场分布，比较上述三种情况下的磁环偏移中心位置处电子注通道半径0.1mm内每间隔0.02mm的各个半径上的磁场对称性，比较结果如表1，表2所示。

表1

表1为实施例所述的三种PPM结构偏移磁环的z＝4.75mm位置处的磁场对称性比较图；

表2

表2为实施例所述的三种PPM结构偏移磁环的z＝6.75mm位置处的磁场对称性比较图。

从比较结果中可以看出，当磁环偏移时减小极靴半径可以使得偏移处磁场非对称性有效降低，其中第三块偏移的磁环中心位置处磁场非对称性最少降低0.36％，最大能够达到1.58％。而第四块偏移的磁环中心位置处磁场非对称性最少降低0.28％，最大则达到0.82％。另一方面，从磁场对同一电子枪发射出的电子注的约束情况及电子轨迹可以看到，当PPM结构磁环没有偏移时，它所产生的磁场是能够约束电子注的，电子注流通情况较好，没有电子打到螺旋线上。而当磁环偏移后，磁环偏移的PPM结构的磁场对称性受到了影响，从电子注包络可以看出此时的磁场不能够约束电子注，从电子轨迹图8中也看出电子注波动变大，部分电子打到螺旋线上，导致电子轨迹线断裂。但是减小极靴内径的磁环偏移的PPM时，电子注波动较小、电子注流通率提高，电子没有打到螺旋线上。

综上所述，本发明方案以一个10周期的行波管PPM结构为例，提出一种PPM结构优化设计方法即调整极靴结构。实施例减小极靴内径r1从0.8mm减小到0.7mm。在高波段的行波管中低脉动PPM的设计对电子注流通率具有重要影响，微小的磁场非对称都可能会使得电子注有很大波动，甚至电子打断螺旋线。本方案提出PPM结构优化设计方法可以有效降低装配过程中磁环偏移时的磁场非对称性，对行波管向高波段扩展具有一定的实用价值。同时从实例中可以看出，针对不同的PPM结构，极靴结构可以根据实际情况调整。