Ka波段双模螺旋线行波管的研制.pdf

真空电子技术VACUUM ELECTRONICS工艺与整管研究Ka波段双模螺旋线行波管的研制王光强，郑丽，李紫琳，王娟，张依雨，孟晓君，李伟,耿伟楠，苏小刚（北京真空电子技术研究所，北京1 0 0 0 1 5）摘要：本文介绍了一种Ka波段双模螺旋线行波管的研制情况，其工作频率范围为3 2 3 8 GHz，工作电压为9.5 kV，低模工作比为7 0%，峰值输出功率为1 5 0 2 0 0 W；高模工作比为1 0%，峰值输出功率为3 0 0 4 0 0 W。该Ka波段双模螺旋线行波管具有工作电压低、快速启动、可无环控工作的特点，适用于航外有源诱饵弹等多种应用场景。关键词：Ka波段；双模；螺旋线行波管；诱饵；无环控中图分类号：TN124doi:10.16540/11-2485/tn.2024.01.06WANG Guangqiang,ZHENG Li,LI Zilin,WANG Juan,ZHANG Yiyu,MENG Xiaojun,LI Wei,GENG Weinan,SU Xiaogang(Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing 100015,China)Abstract:This paper introduces the development of a Ka-band dual-mode helix traveling wave tube(TWT).The TWT works from 32GHz to 38GHz with a voltage of 9.5kV.It outputs 150W peak power atthe low mode with duty cycle of 70%and 300W peak power at the high mode with duty cycle of 10%.ThisTWT has the characteristics of low working voltage,fast warming-up and non-environmental control,which makes it suitable for various scenarios for example the off-board active decoy bombs.Keywords:Ka-band,Dual-mode,Helix TWT,Decoy,Non-environmental control为了应对因反舰导弹的快速发展给水面舰艇带来的日益严重的威胁，除了采用舰空导弹、密集阵近防炮等硬杀伤手段外，电子干扰的软杀伤手段是各国竞相研究和发展的热点。在包括舰载有源干扰、舫外有源/无源干扰等在内的诸多软杀伤手段中，外有源诱饵在对抗具有箔条识别能力和干扰源跟踪能力（HOJ)的反舰导弹上，具有明显的作战优势，并能够有效应对具有复杂调制、频率捷变和相干多普勒处理特征的先进雷达导引头-3 。但由于较高的研发技术门槛和使用成本，航外有源诱饵一直发展比较缓慢。目前，国外海军装备使用的典型舫外有源诱饵产品有美、澳联合开发的“纳尔卡”（Nulka)悬停型有源诱饵、英国“海妖”（Siren)伞降有源诱饵、美国AN/SSQ-95漂浮式诱饵浮标以及以色列C-GEM有源诱饵系统等。并且，随着雷达技术发展，相应的干扰对抗手段也在升级。为了应对新型反舰导弹雷达导引头，研究人员在积极升级外有源诱饵工作频段，将262024-01文献标识码A文章编号：1 0 0 2-8 93 5(2 0 2 4)0 1-0 0 2 6-0 7Development of a Ka-band Dual-mode Helix TWT其从I/J(61 8 G H z)扩展至毫米波段。对于一个高性能的诱饵系统，可靠的功率源是必不可少的。行波管作为电子对抗干扰机常用放大器，具有带宽宽、功率大的特点，可用于有源诱饵干扰信号的功率放大。并且针对有源诱饵不同干扰样式的需求，双模行波管既可以输出中等的准连续波功率，又可以产生大功率脉冲，能够分别对敌方雷达进行阻塞式干扰和欺骗式干扰4 ，单管双用可以大大提升整机性能。国外双模行波管发展于2 0 世纪70年代，以应对当时电子对抗和机载雷达的发展需要,并有一系列S、X 等低频段的双模行波管问世5-6 ；近来也有关于太赫兹双模行波管的理论研究门，但尚未有毫米波段双模行波管的相关报道。国内双模行波管的研制和应用起步于本世纪初8-9，近来北京真空电子技术研究所研制了诱饵用7.5 18GHz大功率快启双模行波管以及3 2 4 0 GHz宽带双模行波管1 0-1 2 。在相关研究基础之上，根据VACUUM ELECTRONICS用户需求，本项目研制了具有启动快、工作电压低、1技术要求及难点无环控工作时间长等特点的Ka波段双模螺旋线行本项目的Ka波段双模螺旋线行波管的技术要波管，满足有源诱饵在毫米波段的升级需求。求如表1 所示：表1 Ka波段双模螺旋线行波管主要技术要求工作比工作频带高模3238 GHz10%双模行波管的技术难点主要是需要兼顾高低模工作下的电子光学系统与高频电路，实现两种不同电子注在同一周期永磁系统下的准确聚焦，以获得双模式下的高流通率和大功率输出。关键一是兼顾两种模式下电子注与高频场高互作用效率的慢波电路的设计。这需从高模人手兼顾低模，控制螺旋线色散，获得较宽的工作频带，同时保证一定的耦合阻抗，并采用动态相速渐变技术，在保证互作用效率的前提下,抑制返波振荡。关键二是同一套聚焦系统下使两种模式电子注均具有高流通率的电子光学系统的设计。这需要通过不断优化栅网结构，既要保证足够大的电子注电流，又要维持一定的电子注半径而不致过大，使电子注以合适的注入半径进入周期磁场，达到电子枪参量与互作用参量之间的良好匹配。此外考虑到实际应用需求，一个工程难点是合理设计整管散热结构，以保证行波管在严酷的环境条件下能够较长时间地无环控工作。2高频结构设计2.1螺旋线慢波结构高频结构是双模行波管的设计关键点，需要实现高频电场与两种不同电子注的充分互作用以及周期永磁系统对它们的良好聚焦。高频采用螺旋线结构，螺旋线作为慢波结构，本身具有色散相对平坦、带宽宽的优势，不足在于功率容量有限，特别是由于高频尺寸与工作波长具有共度性，随着频率增加，螺旋线变得尺寸小难加工，并且会使散热面积减小，散热压力增大。螺旋线平均半径可表述为1 3 1 4 1：YaPou(W)71/5a(mm)0.1eKf(GHz)式中，为螺旋线平均半径，a为螺旋线归一化径向波长，Pout为输出功率，n为电子效率，k为电子枪导流系数，f为工作频率，U。为工作电压。螺旋线半径随着频率升高而逐渐减小，由式(1)可以看出，一定工作频率下低电压意味着更小的螺真空电子技术脉冲输出功率无环控工作时长低模高模70%300400W旋线半径，更大的研制难度；此外，a的选取也尤为重要，增加ya值，可以提高螺旋线半径，降低工艺难度，同时a增大可以减弱色散,增加带宽，但纵向场E会因此降低，导致耦合阻抗的降低，从而降低管子的增益。毫米波行波管a一般选取在1.3 1.6之间，本项目Ka波段双模螺旋线行波管作为毫米波段行波管，为了降低螺旋线截获电流、增加带宽，取ya=1.6；传统4 0 0 W毫米波行波管工作电压为15kV,为了低电压及小型化，工作电压设计为9.5kV,以频率高端3 8 GHz为例，螺旋线平均半径约0.4 1 mm，选用厚度0.1 mm的螺旋钨带，则螺旋线内半径为0.3 6 mm,其中输人段螺旋线内半径增加至0.4 mm,以利于电子注顺利进人慢波结构，便于双模电子光学的实现。m及1根据工作电压9.5 kV，由公式eU。=慢波比u/c2元（其中e为电子电荷量，m为电子2元a质量，c为真空中光速，。为电子注速度，p为螺旋线上电磁波的相速)可得e0.1 93 c，取Up略小于U，确定螺距p。由以上得到的参数建立螺旋线三维模型，如图1 所示，由品型BeO杆夹持、无翼片加载。采用螺旋线行波管模拟软件MTSS的高频电路模拟器对高频电路进行仿真得到冷参数，如图2所示。3 8 GHz的相速为0.1 8 c,耦合阻抗1 2 2,a为1.5 6,与理论计算基本吻合。0.1 Ya U.(V)/2f(GHz)(1)低模150200W图1 螺旋线慢波结构三维模型图602024-0127真空电子技术VACUUM ELECTRONICS0.210.200.19孔一0.180.170.160.15283530上25上151050281.81.71.61.5?1.41.31.21.1F282.2注-波互作用对于双模行波管，当切换工作模式时，电子注半径的变化，必然引起互作用参量的变化，很难做到两模式下的增益、效率、带宽等都达到最优化，设计时需采取一定的折中。双模管的脉升比在 3 dB以上，要实现较高的脉升比，需要从高模入手，保证足够大282024-01的功率输出。高模采用大电流，具有高增益、高效p-0.03 mmp-0.02mmp-0.01mm一Pp+0.01 mmp+0.02 mm3032(a)色散特性扫描曲线-p-0.03 mmp-0.02mmp-0.01 mmPp+0.01 mmp+0.02 mm13032(b)耦合阻抗扫描曲线p-0.03 mm.p-0.02mmp-0.01mm一Pp+0.01 mmp+0.02mm3032(c)ya扫描曲线图2 高频电路冷参数仿真结果率，设计中还需考虑电流应在低电压阴极的发射能力以内,否则阴极将不能发射所需的目标电流。相应地，低模电流小、增益低、效率低，注-波互作用设计应使低模达到目标功率输出，低模的关键在于高工作比下产生的大螺流，需要通过双模电子光学系统的优化设计和后期调试来控制。在2.1 节高频结构选择的基础上，针对低电压设计要求，保证两种模式下的功率输出，着重提高互作用效率。采用的高频互作用电路结构如图3 所3436IGHz3436fIGHz134JIGHz3838136401403840示，选用输入、输出两段高频结构，中间切断，设置碳膜主衰减器与副衰减器，用来吸收返波与末端的反射波，抑制振荡，保证管子稳定工作。输入端采用较长的均匀螺距,可使电子注得到充分调制，使电子束整体处于减速区，获取足够的小信号增益；输出段为均匀螺距与渐变螺距相结合，渐变螺距部分可使注波速度再同步，提高电子效率，同时也可改变电子注与返波的同步状态，抑制返波振荡。图3 高频电路结构示意图使用MTSS软件的注波互作用模拟器，根据设定的工作电压9.5 kV,高低模工作电流2 2 0 mA、170mA,对高低模的输出功率进行频率扫描，得到各频点输出功率的仿真结果如图4 所示。在目标工作频带内，高模的输出功率都在3 0 0 W以上，低模的输出功率都在1 5 0 W以上，并留有一定的设计裕量，注波互作用设计达到目标要求。2.3返波振荡分析返波振荡作为一种固有的内部反馈振荡，是影响行波管稳定工作并限制螺旋线行波管功率上限的主要因素，返波振荡的发生会严重影响行波管工作性能，扰乱电子干扰整机的正常工作。行波管返波振荡主要来自于电子注与返波的一1 次空间谐波的相互作用，当满足相应的相位条件和幅度条件时，返波便会起振。返波是否起振受工作电压、电子注电流大小、互作用长度、电子注填充比等因素的影响，因此行波管设计过程中，需额外关注返波振荡情况，并采取有效措施，防止返波振荡的发生。根据2.1 节得到的螺旋线基本结构，使用三维有限元仿真软件HFSS13.0对输人、输出段的色散VACUUM ELECTRONICS特性分别进行了仿真1 5 ，得到如图5 所示的布里渊点，而且与高次模的返波也有交点，也就是电子注会图。其中mode1为基次模式，mode2为高次模式，与两者同时发生同步相互作用，由图中交点可以确定可以看到电子注电压线不仅与基次模的前向波有交输人、输出段的返波振荡频率分别为4 8.2、5 2.8 GHz。500频率3 2.0 0 GHz：输出功率4 0 9.5 W频率3 3.0 0 GHz：输出功率4 2 7.3 W400频率3 4.0 0 GHz:输出功率4 4 0.0 W频率3 5.0 0 GHz：输出功率4 2 6.6 W频率3 6.0 0 GHz:输出功率4 1 3.5 W频率3 7.0 0 GHz:输出功率3 8 2.4 W300频率3 8.0 0 GHz：输出功率3 3 6.4 Wd200100真空电子技术频率3 2.0 0 GHz：输出功率1 5 2.4 W200频率3 3.0 0 GHz:输出功率1 6 8.5 W频率3 4.0 0 GHz:输出劲率1 91.1 W频率3 5.0 0 GHz:输出劲率2 0 6.4 W频率3 6.0 0 GHz:输出劲率2 0 4.4 W150频率3 7.0 0 GHz:输出功率1 8 9.0 W频率3 8.0 0 GHz:输出功率1 6 4.8 WP1005008060ZHO/f402010.20.4轴向归一化距离(a)高模图4 工作频带内输出功率的仿真结果一基次模式高次模式一电子注电压线(95 0 0 V)00.60.81.00.2一基次模式80一高次模式一电子注电压线（95 0 0 V)60ZHDf40200.4轴向归一化距离(b)低模0.60.81.00对于可能发生返波振荡的高频结构,可以通过合理设置衰减器、改变磁场强度、相速渐变/跳变等手段抑制返波振荡的发生。本文高频结构主要通过2.2节所述的设置主副衰减器的方式来抑制返波振荡的发生，使用MTSS软件的注波互作用模拟器对设置衰减器前后的返波情况进行仿真，得到仿真结果如图6 所示。图中显示输人、输出段在无衰减器时返波频率分别为4 7.2、5 2.2 GHz，与HFSS得到的结果基本一致，引人衰减器后，可以看到输入、输出段的返波振荡都得到很好的抑制。3电子光学系统设计双模行波管是通过改变电子注电流大小而获得012(a)输人段螺旋线布里渊图3p/rad45图5 高频结构色散图不同功率的管子，整个过程中电子注电压不变，以保持与慢波电路的同步，电子注电流大小通过调节栅极电压来控制，栅极电压相对较低，可以做到两种模式的快速切换。本文行波管采用阴影栅和控制栅组成的非截获栅，栅网结构如图7 所示。根据高频结构设计结果，阴极电压为9.5 kV，高模电子注电流220mA，低模电子注电流1 7 0 mA，双模电子枪的设计关键在于要保证这两种不同大小电子注在同一聚焦磁场下的高流通率。通过Opera软件对双模电子枪进行仿真优化，图8 所示为高低模两种不同电子注的入射状态，可以看到两电子注的射程、注腰半径都有较大差异。通过不断调整栅网结构、聚焦极2024-012961(b)输出段螺旋线布里渊图23sp/rad456真空电子技术VACUUM ELECTRONICS0-20HP/40-600.00-2040-600.0结构、极间距离以及磁场强弱可以获得两种模式下很好的流通状态，结果如图9所示。高模注腰位置10.2mm，注腰半径0.3 3 mm，电子注脉动半径r0.28mm,低模注腰位置9.6 mm,注腰半径0.1 7 mm，电子注脉动半径r0.3mm。电子注由零磁场区到均匀周期场区之间的过渡区是影响流通率的关键部位，合理设置过渡区磁场分布，以保证电子注以合适的半径，平行人射进入周期场，使电子注脉动保持在最小值。实测样管的高低模静态流通率分别为97.8%、99.16%，动态流通率分别为95.4%、98.1 3%，其中大工作比的低模动态流通率达到了98%以上，为行波管在高热耗低模下的稳定工作提供了保障。图7栅网结构302024-016040频率=4 7.2 3 3 1 GHz最小增益=-5 6.4 2 6 dB起振长度=2 8.7 5 mm10.20.4归一化轴向位置（a）输人段无衰减器时返波情况一频率=5 2.2 0 0 9 GHz最小增益=-5 5.2 2 7 2 dB起振长度=2 7.5 mm0.20.4归一化轴向位置（c）输出段无衰减器时返波情况频率=4 7.2 8 0 6 GHz最小增益=-5.0 4 4 3 1 dB起振长度=1 9.2 mm2000.60.810.60.8图6 返波振荡仿真结果一图8 两种模式下的电子注状态4无环控设计由于诱饵弹有限的空间体积，其电子载荷只能依靠有限的热传导进行散热，这决定了行波管需具备良好的热稳定性与高可靠性。行波管作为真空器件，本身具有较好的耐高温特性，而螺旋线这种需介质夹持杆支撑的高频结构散热能力有限，热量的积聚将引起螺流的急剧恶化，带来螺旋线烧毁的风险1 2 。对于本文Ka波段双模螺旋线行波管，散热压力主要来自于行波管在大工作比、高热耗、低模状态下的长时间无环控工作，无环控工作设计目标为180s。要实现无环控工作目标，一是需要使用多级降压收集极，提高效率，降低整管热耗；二是需要合理设计电子枪、高频结构，保证低模下尽可能小的电流截获；三是需要合理设计整管的散热结构，提高整1.011.00.2（b）输人段有衰减器时返波情况60402000.4归一化轴向位置频率=5 2 GHz最小增益=0.4 5 4 6 5 1 dB起振长度=0.0 5 mm0.20.4归一化轴向位置（d）输出段有衰减器时返波情况(a)高模电子注(b)低模电子注0.60.60.80.81.01.0VACUUM ELECTRONICS1.4真空电子技术0.8u/d0.60.40.21.4H12uu/1.00.80.60.40.2管的热容量与导热能力。为了优化散热结构，本文在放热量最大的收集极部位进行了相变材料的填充，其相变温度1 1 0，相变潜热3 0 0 J/g，可在相变发生时吸收热量，有效增加了整管的热容量；此外，铜底板与热管的使用增强了导热能力，可将产热严重部位的热量快速导走，避免了热量积聚。上述散热措施在实测中起到了良好的效果，对行波管的低模进行了7 0 高温环境下1 8 0 s无环控工作测试，其螺流变化如表2 所示，可以看到螺流在整个无环控工作过程中缓慢稳定上升，完全处于螺流保护门限以下，表明整管的热设计达到了无环控工作的要求。表2 行波管无环控工作螺流变化时间/s螺流/mA02.9203.2403.2600.2工12 3456789101112z/mm(a)高模下1.41.20.80.60.40.2123456789101112z/mm(b)低模下图同一周期磁场下两种模式电子注的流通情况400300200100一高模低模0323.3510152025303540455055606570z/mm51015202530 3540 z/mm3334JIGHz图1 0样管测试结果455055606570400350300250200150100500353637385测试结果依据上述设计进行了样管试制，样管测试结果及实物如图1 0、图1 1 所示。在3 2 3 8 GHz工作频带内，样管高模峰值输出功率均大于3 0 0 W，低模峰值输出功率均大于1 5 0 W，满足设计指标要求。6结论本文介绍了Ka波段双模螺旋线行波管的研制图1 1 Ka波段双模螺旋线行波管工作，并制备出了可快速启动、无环控工作6 0 s、高/低模输出功率超过3 0 0 W/150W的样管，经环境试验验证已初步满足实用化的需求。Ka波段双模螺旋线行波管的研制成功将有利于提升诱饵系统的干扰能力。2024-0131真空电子技术VACUUM ELECTRONICS参考文献1张剑锋，杨静，李晓军。舰载外有源雷达诱饵技术研究J.舰船电子对抗，2 0 1 3，3 6（0 1)：7-1 2.2侯学隆，曾家有，赵遇春纳尔卡外有源诱饵作战使用研究J.飞航导弹，2 0 2 1，（1 1）：6 4-7 0.3高磊，陈曙喧，姜丽敏，等美国海军电子战系统及技术发展趋势J.飞控与探测，2 0 2 2，5（0 4）：3 5-4 3.4 刘世程：双模行波管J.真空电子技术，1 97 6，（0 2：1-14+28.5 Zavadil D A.Dual Beam Dual Mode 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