一种具有铁磁性加载的行波管复合管壳结构及行波管的制作方法

1.本发明属于真空电子器件领域，具体地，涉及一种具有铁磁性加载的行波管复合管壳结构及行波管。


背景技术：

2.在现有技术中，行波管作为末级功放单元，可将前级放大器的微波信号进行再次放大，广泛应用于雷达发射机、电子战、卫星通信等领域广泛应用。随着行波管功率密度的不断提高，大功率行波管常利用复合管壳提升高频系统的集成度和散热特性。
3.复合管壳高频工艺是将极靴和垫环依次间隔排列焊接成管壳，通过二次加工形成的复合管壳结构，通过螺旋线—夹持杆组件与管壳之间的过盈配合降低散热路径上的接触热阻，实现散热能力的提升。
4.采用复合管壳高频工艺时，翼片不再是单一的镍铜合金材质，而是变成了纯铁—镍铜复合材料，纯铁作为软磁性材料会影响周期性永磁(ppm)聚焦系统的磁场均匀性，产生不规则的横向磁场，电子注无法实现良好聚焦。
5.因此，需要提供一种适用于宽带行波管的具有铁磁性加载结构的复合管壳，在满足行波管宽带大功率性能的同时，解决电子注聚焦难题，并提升整管散热能力。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种行波管复合管壳结构，该复合管壳结构包括沿管壳轴向间隔设置的多个铁磁性金属环和多个非铁磁性金属环；
7.该复合管壳内部包括各铁磁性金属环在其内部沿径向均布的至少四个加载。
8.优选地，所述非铁磁性金属环内部具有与所述铁磁性金属环相同数量和形状的加载。
9.优选地，所述铁磁性金属为纯铁，所述非铁磁性金属选自铜、钼、钨，或包括铜、钼或钨的合金。
10.优选地，所述各铁磁性金属环的至少四个加载关于管壳轴向对应设置。
11.优选地，相邻铁磁性金属环外部作为极靴与其间非铁磁性金属环外部形成用于放置磁钢的空间。
12.优选地，铁磁性金属环内部加载的数量大于6个，优选6-9个。
13.优选地，所述加载的径向剖面形状为矩形、扇形、楔形或t型。
14.优选地，复合管壳结构包括9个加载，加载的径向剖面形状为矩形。
15.本发明的另一方面提供一种行波管，该行波管包括如上所述的行波管复合管壳结构、固定所述复合管壳内的夹持杆和螺旋线。
16.优选地，该行波管包括固定在复合管壳外相邻磁性金属环之间的磁钢。
17.本发明的有益效果如下：
18.本发明提供了一种利用间隔设置的铁磁性金属及非铁磁性金属形成的复合管壳
结构，管壳内部形成有沿径向均布的铁磁性金属及非铁磁性金属加载翼片。该复合管壳结构具有良好的整管散热能力。对比加载翼片为镍铜材料的传统管壳高频，通过理论分析和模拟仿真发现，本发明的复合管壳ppm系统轴向磁场bz比传统管壳大30％，有利于实现行波管的小型化。增加加载翼片数量可以显著减弱复合管壳ppm系统横向磁场的非均匀性，当翼片增至9片时，ppm系统的横向磁场分量br仅有2％的起伏，分量b
θ
与轴向磁场的比值不足0.5％，接近轴对称磁场分布，对电子注运动的干扰可以忽略。采用9片矩形翼片复合管壳高频结构，可在保持慢波电路参数且保证良好的互作用效果的同时，显著改善电子注聚焦效果，在满足行波管宽带大功率性能的同时，解决了电子注聚焦难题，并提升整管散热能力，满足实际工程需要，极大推进复合管壳结构在宽带行波管中的应用。
19.本发明适用于不同频率范围宽带行波管复合管壳结构，具有很宽的适用范围。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出现有行波管的高频段管壳及极靴结构示意图。
22.图2示出图1所示现有管壳的ppm聚焦系统磁场边界条件示意图。
23.图3a示出根据本发明优选实施例的具有金属加载的复合管壳的剖视图
24.图3b示出图3a所示本发明优选实施例的复合管壳中非铁磁性金属环截面图。
25.图3c示出图3a所示本发明优选实施例的复合管壳中铁磁性金属极靴截面图。
26.图4a示出t型铁磁性加载复合管壳中磁场分量示意图。
27.图4b示出t型铁磁性加载复合管壳结构的内部磁场边界条件示意图。
28.图5示出三个t型铁磁性加载的复合管壳中电子在极靴平面的受力和速度的示意性分析。
29.图6a-6c分别示出三个t型金属加载的现有管壳和三个t型铁磁性加载的复合管壳ppm聚焦的磁场分布对比图。
30.图7a-7c分别示出三个t型铁磁性加载的复合管壳ppm聚焦的电子注在前三块极靴出口位置的平面电子注分布图。
31.图8示出三个t型铁磁性加载的复合管壳的ppm聚焦的电子注投影。
32.图9a-9c分别示出具有3、6、9个t型铁磁性加载的复合管壳ppm聚焦的横向磁场在极靴平面内分布。
33.图10a-10c示出铁磁性加载复合管壳ppm聚焦的磁场值与数量关系及现有金属加载管壳ppm聚焦的磁场值的对比图。
34.图11a和11b分别示出根据本发明优选实施例和对比例的高频结构示意图。
35.图12a-12c示出图11a和11b所示高频结构的高频参数随金属加载内径变化的曲线。
36.图13a-13b示出图11a和11b所示高频结构的输出功率和谐波抑制比。
37.图14a-14b示出图11a和11b所示高频结构的ppm聚焦的横向磁场在极靴平面的分
布。
38.图15示出图11a所示高频结构的ppm聚焦的电子注投影。
具体实施方式
39.为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
40.行波管聚焦系统的作用是对电子枪发射的电子注进行聚焦，维持电子注的形状和直径，螺旋线行波管多使用周期永磁ppm聚焦系统。
41.图1为现有行波管的高频段金属加载管壳结构及极靴结构示意图。图1所示高频段管壳结构包括管壳及该管壳材质向内延伸形成的三个t型金属加载。金属加载和管壳的材料为非铁磁性材料，例如镍铜合金。这种高频结构的ppm聚焦系统包括设置在管壳外的极靴和管壳垫环外的磁钢，因为管壳内金属加载为非铁磁镍铜合金，聚焦系统磁场边界轴对称圆周边界，如图2所示，其中ppm聚焦系统横向磁场仅含横向磁场径向分量br，横向磁场切向分量b
θ
为0。
42.宽带行波管作为电子对抗系统的核心功率器件，输出功率是其最重要的技术指标之一。为实现稳定的大功率输出，行波管需要具有良好的散热能力。复合管壳高频工艺可以有效提升行波管的散热能力。复合管壳高频结构通过将环状极靴材料和垫环材料间隔排列后焊接形成，高频部件集成度得到提高，散热能力得到改善，电子注和磁场同心度提高，电子注聚焦能力增强。通过螺旋线-夹持杆组件与管壳之间的过盈配合降低散热路径上的接触热阻，实现散热能力的进一步提升。
43.本发明提出，在采用复合管壳的宽带行波管中引入金属加载来拓展带宽，如图3a-3c所示。铁磁性环状极靴材料和非铁磁性垫环材料间隔排列后焊接为一体，通过二次成型工艺得到图3a所示具有金属加载的复合管壳结构，方便起见，本文中也称为加载复合管壳，铁磁性加载管壳等。为便于二次成型，在优选实例中，金属加载不仅包括非铁磁性垫环在管壳内部形成的加载，见图3b，还包括铁磁性极靴环在管壳内部形成的加载，如图3c所示。极靴材料例如为纯铁，垫环材料例如为镍铜合金。极靴和固定在复合管壳外相邻极靴间的磁钢构成本发明管壳结构的ppm聚焦系统。纯铁作为软磁性材料会影响ppm聚焦系统的磁场均匀性，产生不规则的横向磁场，影响电子注聚焦。下文将具体分析本发明的具有铁磁性加载的复合管壳结构中加载的数量和形状对ppm磁聚焦性能的影响。
44.t型翼片加载可以得到反常色散，且有较大的耦合阻抗和较小的衰减常数，现有宽带大功率行波管常用t型翼片加载。相比于图1所示仅由镍铜形成t型金属加载的结构，本发明的内部形成纯铁-镍铜t型翼片加载的复合管壳结构的仿真分析结果可以看出，复合管壳ppp聚焦系统的磁场内部边界条件发生改变，如图4a和4b所示，纯铁加载使管壳内部磁场出现r方向的边界，导致b
θ
不再为0，边界条件不再对称。
45.图5示出具有三个t型铁磁性加载的复合管壳中，聚焦系统中电子在极靴平面受力和产生的速度分量分析。极靴平面处的横向磁场切向分量b
θ
使得电子在一个极靴区域内a位置处因洛伦兹力产生了沿径向向外的速度分量，经过该位置的电子在沿轴运动时沿径向发散。下一个极靴区域内b位置处的电子也产生了径向发散，电子注半径因为这些电子的运动而迅速扩大，在前几个聚焦周期内便产生截获。在t型铁磁性加载的复合管壳结构ppm聚
焦系统中，分量br沿圆周分布呈非轴对称性，同一半径圆周上的电子在不同位置处产生不同的旋转速度，当分量bz逐渐增加，不同旋转速度的电子会产生不同的径向速度，电子注层流性将明显减弱，电子注聚焦效果将恶化。
46.使用opera3d软件对镍铜材质传统管壳三t型翼片的ppm聚焦系统和包括纯铁极靴及镍铜垫环材质的三t型铁磁性翼片的复合管壳的ppm聚焦系统进行建模仿真，得到静磁场分布后对同一电子注进行聚焦，聚焦系统静磁场各方向分量的仿真结果如图6a-6c所示。各图中，实线表示形成有纯铁加载翼片和镍铜加载翼片的复合管壳(fe/nicu)，虚线表示仅包括镍铜加载翼片的铜镍管壳(nicu)。图6a可以看出，传统加载管壳ppm聚焦系统轴向磁场峰值为1960gs，加载复合管壳ppm聚焦系统轴向磁场峰值为2550gs，增加了30％；图6b、6c为在两种聚焦系统中横向磁场在极靴中心平面内沿θ的分布，可以看出传统ppm聚焦系统中分量b
θ
最大为12.7gs，分量br为554gs左右；加载复合管壳ppm聚焦系统中分量b
θ
和分量br随着角度的变化而变化，分量b
θ
最大为336gs，分量br最大为1118gs，最小为473gs。t型加载翼片结构的复合管壳ppm聚焦系统中前三块极靴出口位置的平面电子注分布如图7a-7c所示，图中可明显观察到电子注随着行进不再呈轴对称圆形分布，其外轮廓出现明显的三个发散尖角，随着电子注向前运动，电子注外径迅速扩大，在第三块极靴出口处产生大量截获。t型加载翼片结构的复合管壳ppm聚焦的电子注投影如图8所示，可以看出横向磁场的干扰使电子注无法良好聚焦，电子注相对脉动28％，半径最大达0.7mm，产生明显截获，电子注层流性很差。
47.由上述具有三个铁磁性加载的复合管壳的聚焦系统横向磁场分布可知，铁磁性加载的引入会直接改变非对称磁场边界条件，进而引起横向磁场br和b
θ
的改变，电子注聚焦效果将恶化，聚焦困难。
48.为了改善聚焦特性，需要对铁磁性加载的数量进行优化，考虑到加载间需放置介质杆对螺旋慢波线进行夹持，加载数量不能无限增加。分别建立翼片数量为3、6和9的加载复合管壳ppm聚焦系统模型，对静磁场进行对比。
49.复合管壳中t型加载的数量增加等效于聚焦系统的内径减小，极靴加载内径更靠近螺旋线，电子注所在区域内轴向磁场更强。当加载数量由3增加至6时，轴线上的分量bz由2550gs增加至2800gs，增加了9.8％；当加载数量增加至9时，对轴向磁场的增强作用减弱，分量bz增至2850gs，如图10c所示。
50.随着加载翼片数量的增加，横向磁场的分布逐渐变得均匀，极靴平面内的横向磁场分布如图9a-9c所示。随着加载数量的逐渐增加，br的非轴对称性逐渐减弱，当加载数量为3时，b
rmax
与b
rmin
的差值为645gs；当加载数量为9时，差值下降为21gs，如图10a所示。分量b
θ
也随加载数量的增加而减小，b
θ
最大值由336gs减小至13gs，如图10b所示。可以看出，复合管壳中随着加载数量的增加，聚焦系统对电子注聚焦性能得到改善。
51.进一步，考虑到加载间需放置介质杆对螺旋慢波线进行夹持，结合实际工艺对具有9个加载的复合管壳加载形状和尺寸参数进行优化。例如将铁磁性t型加载翼片的角度缩小并简化翼片形状可得到矩形加载翼片。图11a示出根据本发明优选实施例的9个铁磁性加载的复合管壳结构的内部示意图，图中矩形加载翼片结构参数包括加载内半径r
l
和加载宽度vn。因为翼片宽度对慢波电路参数影响很小，齿形翼片内半径r
l
对慢波电路参数和静磁场分布有显著影响。
52.考虑到内半径r
l
越小时齿间间距越小，介质杆无法装配，复合管壳加载内半径r
l
选为1.08mm、1.15mm和1.22mm，分别仿真计算对比例及不同r
l
下齿形翼片慢波电路的色散特性、耦合阻抗和衰减常数并与三个t型加载翼片的复合管壳结构进行对比，对比例结构如图11b所示。对比例和本发明实施例高频结构的螺旋线，夹持杆，管壳内径采用相同参数。
53.高频冷参数色散参数、耦合阻抗、和衰减参数的仿真结果分别如图12a-12c所示，对比例数据以t:r
l
示出。可以看出，当翼片内半径为1.15mm时，矩形加载高频在6ghz处相速为0.135c，18ghz处相速为0.138c，而t型翼片高频在6ghz处相速为0.137c，18ghz处相速为0.138c，两种高频的相速差在全频段不超过1.5％；整个频段内t型翼片高频的耦合阻抗与矩形翼片高频相差不超过1ω；矩形翼片慢波电路衰减常数比t型翼片更小，在高频段比t型翼片高频小13.9％。由此可知，采用9个矩形加载的复合管壳结构可保证良好的互作用效果。
54.使用mtss对本发明优选实施例和对比例的高频结构进行互作用仿真计算，图13a和13b可以看出两种高频结构在6-18ghz频带内输出总功率都超过500w，矩形翼片高频的饱和输出功率大于t型翼片高频，矩形翼片高频的二次谐波抑制比优于t型翼片高频。由此，加载翼片的径向剖面形状可以为矩形、扇形、楔形或t型。
55.9片矩形翼片ppm系统边界条件相比铁磁性3片t型翼片更加均匀，在轴向磁场相当的情况下，br最大值减小为3/5，b
θ
减小为1/30，明显减小了周期永磁聚焦系统横向磁场的非均匀性；ppm系统的br仅有2％的起伏，b
θ
与轴向磁场的比值不足0.5％，接近轴对称磁场分布，对电子注运动的干扰可以忽略。图14a和14b分别为本发明优选实施例和对比例的ppm系统横向磁场在极靴平面上的分布，其中ppm聚焦系统轴向磁场bz为2690gs，分量br最大值为820gs，分量b
θ
最大值为10gs。进一步，用该ppm聚焦系统对高频段内电子注进行聚焦分析，仿真结果如图15所示，可以看出矩形翼片结构的复合管壳ppm聚焦系统聚焦的电子注在整个互作用长度内都没有产生截获，电子注脉动较小，半径不超过0.6mm，电子注静态通过率为100％。
56.可以看出，在铁磁性加载复合管壳行波管中，加载翼片为纯铁-镍铜复合材料，对比传统管壳高频加载翼片为镍铜材料，通过理论分析和模拟仿真发现，复合管壳ppm系统轴向磁场bz比传统管壳大30％，有利于实现行波管的小型化。当铁加载数量为3个时，复合管壳ppm系统横向磁场分量较大，分量br呈非轴对称性分布电子产生不同的旋转速度，电子注层流性差，脉动明显；分量b
θ
使电子在极靴处产生径向发散，导致电子注外轮廓有明显的三个发散尖角，在第三块极靴出口位置便会产生大量截获，电子注无法实现良好聚焦。
57.增加加载翼片数量可以显著减弱复合管壳横向磁场的非均匀性，当翼片增至9片时，ppm系统的br仅有2％的起伏，分量b
θ
与轴向磁场的比值不足0.5％，接近轴对称磁场分布，对电子注运动的干扰可以忽略。考虑到翼片间需放置介质杆对螺旋慢波线进行夹持，进一步对加载翼片结构进行优化得到9片矩形翼片复合管壳高频结构，该结构可在保持慢波电路参数，保证良好的互作用效果的同时，显著改善电子注聚焦效果，满足实际工程需要。
58.由此，本发明提供一种行波管复合管壳结构，该复合管壳结构包括沿管壳轴向间隔设置的多个铁磁性金属环和多个非铁磁性金属环；该复合管壳内部包括各铁磁性金属环在其内部沿径向均布的至少四个加载。所述各铁磁性金属环内部的至少四个加载关于管壳轴向对应设置。相邻铁磁性金属环外部作为极靴与其间非铁磁性金属环外部形成用于放置
磁钢的空间。作为优选实施例，所述非铁磁性金属环内部具有与所述铁磁性金属环相同数量和形状的加载。铁磁性金属环内部加载的数量大于6个，优选6-9个。所述加载的径向剖面形状为矩形、扇形、楔形或t型。铁磁性金属为纯铁，所述非铁磁性金属选自铜、钼、钨，或包括铜、钼或钨的合金。
59.作为优选实施例，本发明提供一种宽带行波管，该行波管包括如上所述的行波管复合管壳结构、固定所述复合管壳内的夹持杆和螺旋线，以及固定在复合管壳外相邻磁性金属环之间的磁钢。本发明适用于不同频率范围宽带行波管复合管壳结构，具有很宽的适用范围。
60.在本技术的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。