（无线电物理专业论文）行波管多级降压收集极技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：篮筮 日期：趁2 ；：生，! 圣， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翌k 导师签名：垄与7 名： 口0 j 多拍 山东大学硕士学位论文 摘要 采用多级降压收集极是提高行波管效率的重要方法。计算机模拟计算和辅助设计 方法在降压收集极分析设计中起着重要的作用。本论文主要研究轴对称结构降压收集 极的计算机辅助设计和模拟。论文中深入分析了多级降压收集极的工作原理，设计了 一个功能比较齐全的二维圆柱坐标系的多级降收集极模拟计算程序，考虑了次级电子 的影响，可以比较真实地模拟计算多级降压收集极和再聚焦区的性能，成为模拟和优 化多级降压收集极和再聚焦区设计方案的良好手段。 论文的主要内容概括如下： 在第一章前言中，首先介绍了行波管及其效率问题，分析了提高效率的方法。接 着介绍了多级降压收集极的概念和发展情况，介绍了多级降压收集极的计算机模拟的 研究情况。 第二章从分析作用后电子能量分布入手，分析多级降压收集极的工作原理，通过 电子注能量分布曲线可以帮助我们确定收集极电极数目、电压等参量，预计收集极效 率。介绍了两种常用的轴对称结构多级降压收集极。定义了收集极效率的概念。 第三章介绍了多级降压收集极模拟的核心计算问题：电子运动方程的求解。由于研 究的是轴对称结构，所以可以简化为二维问题。介绍了模拟计算涉及的物理方程和数 值计算方法，包括静电场的数值计算、静电静磁场里电子运动轨迹的数值计算和空间电 荷密度的数值计算。 第四章首先介绍了多级降压收集极模拟中对次级电子模拟的研究情况。分析了次 级电子发射的特性，在模拟中将次级电子近似分为真实次级电子和反射的原电子分别 处理。介绍了在程序中实现的方法。 第五章介绍了模拟计算程序的流程和输入输出。对两个收集极结构作了模拟计算， 比较了不同的电极电压对收集极效率的影响。比较了考虑和不考虑次级电子对计算结 果的影响。 第六章对磁场再聚焦作了初步的研究。利用模拟计算程序，加入层流性统计模块， 对几种磁场结构的再聚焦效果作了模拟，比较分析了计算结果。 最后给出本文所作工作的总结，并对进一步的研究工作提出了建议。 关键词：行波管，多级降压收集极，计算机模拟，次级电子，再聚焦 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i s t a g ed e p r e s s e dc o l l e c t o r ( m d c ) i so n eo ft h em a j o rc o m p o n e n t so ft h eh i g h e f f i c i e n c yh e l i xt r a v e l i n gw a v et u b e ( t w t ) t h ep u r p o s eo f i ti st oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f t h et u b ea n dr e d u c et h ea m o u n to fh e a tg e n e r a t e db yt h eb o m b a r d m e n to f t h es p e n te l e c t r o n b e a m t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fc o l l e c t o r si sn e c e s s a r yt om a k et h ed e s i g nc o s te f f e c t i v e a n dr e d u c et h er e p e t i t i o ni nf a b r i c a t i o n p r o c e s s t h es c o p eo ft h i st h e s i sh a sb e e nc o n c e m e dw i t ht h es t u d ya n ds i m u l a t i o no fm d c s o u r s i m u l a t i o nw o r k sc a r d e do u ta r eo nt h e2 - d at w o - d i m e n s i o n a l ( 2 - d ) p a c k a g ef o r s i m u l a t i o no fs y m m e t r i cm u l t i s t a g ed e p r e s s e dc o l l e c t o r sh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h e a l g o r i t h mo f ag u np r o g r a m t h e o r g a n i z a t i o n o f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s c h a p t e r1p r o v i d e st h em e t h o d s t oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft w 工t h e c o n c e p to fm d c i sd e t a i l e d t h er e s e a r c hl e v e la n dn e ws i m u l a t i o ns o f t , r a r ef o rm d ci sd e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，t h ep r i n c i p l eo fm d cf o rt w t sh a sb e e na n a l y z e d t h ee l e c t r o ne n e r g y d i s t r i b u t i o no fs p e n tb e a me n t e r i n gt h ec o l l e c t o rh a sb c c na n a l y z e d t h ep a r to ft h eb e a m p o w e rt h a tc o u l db cr e c o v e r e db yt h ec o l l e c t o ri sp o i n t e do u tt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h e e n e r g y d i s t r i b u t i o nc u r v e t w o t y p e so fa x i t s y m m e t r i c m d ci sd e s c r i b e da n dt h e i r a d v a n t a g e si sd i s c u s s e d t h ec o n c e p t o fc o l l e c t o r e f f i c i e n c yi sd e s c r i b e d c h a p t e r3 d e s c r i b e st h ee q u a t i o n sc o n c e m e dw i t ht h ee l e c t r o nm o t i o n t h en u m e r i c a l c o m p u t i n g m e t h o d so f t h ee q u a t i o n si sd e t a i l e d i n c h a p t e r4 ，t h ep h e n o m e n o no fs e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o nh a sb e e ns t u d i e d t h e s e c o n d a r ye l e c t r o n s e f f e c t si s i n c o r p o r a t e di n t o t h es i m u l a t i o no no r d e rt o p r e d i c tt h e c o l l e c t o re f f i c i e n c yc o r r e c t l y i nt h es i m u l a t i o n , s e c o n d a r ye l e c t r o n si sd i v i d e d ，t oag o o d a p p r o x i m a t i o n ，i n t ot r u es e c o n d a r i e sa n dr e f l e c t e dp r i m a r y e l e c t r o n s as e c o n d a r ye l e c t r o n e m i s s i o nm o d e li s d e v e l o p e d t h i s m o d e lh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nj o n k e r s e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n df o r m u l ad e r i v e db y v a u g h a n t h ec h a p t e r5 p r o v i d e s t h e p r o c e d u r e s o fp r o g r a m as i n g l e s t a g ea n da4 - s t a g e s y m m e t r i c c o l l e c t o rw e r es i m u l a t e du s i n gt h i s p a c k a g e b o t hp r i m a r y a n ds e c o n d a r y e l c c t r o nt r a j e c t o r i e sa r es h o w n t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w oc o l l e c t o r su n d e rd i f f e r e n t e l e c t r o d ev o l t a g e si sd e t a i l e d t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t si sa n a l y z e da n do p t i m u md e s i g n h a sb e e no b t a i n e d i nc h a p t e r6 ，t h er e f o c u s i n gc o n c e p ti sd e s c r i b e d i t sb a s i cp r i n c i p l ei sa n a l y z e d w i t h a n a d d e ds t a t i s t i cm o d u l e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h r e em a g n e t i cr e f o c u s i n gs y s t e m si s e v a l u a t e d 2 山东大学硕士学位论文 u s i n g t h ee l e c t r o n t r a j e c t o r yp r o g r a m f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t sas u m m a r yo ft h er e s u l t sa n dt h ec o m m e n to nt h ef u r t h e r s t u d i e s k e y w o r d s ：t r a v e l i n gw a v et u b e ，m u l t i s t a g ed e p r e s s e dc o l l e c t o r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， s e c o n d a r ye l e c t r o n ，r e f o c u s i n g 3 山东大学硕士学位论文 1 1 行波管及其效率 第1 章前言 行波管发明于1 9 4 3 年，已有六十年历史，它的主要特点是频带宽，动态范围大， 噪声低，增益高，广泛应用与雷达、通信、电视、广播、遥测、电子对抗等各种电子 设备中，是微波领域中一种非常重要的器件【lj 。 图1 1 给出了一支螺旋线行波管的结构图。螺旋线行波管是目前应用最广泛的一 种行波管放大器。它主要由电子枪，螺旋慢波线，收集极，输入、输出耦合装置和聚 束系统几部分组成。电子枪用来产生具有一定形状和电流的电子注；聚束系统的作用 是用外加的电磁力来约束电子注的扩散；收集极用来接收完成互作用后的无用电子。 高频信号从输入耦合装置送到慢波线始端，沿慢波线向前传输，并与电子注相互作用， 电子注的直流能量转换为高频场能量，使高频信号得到放大，最后从慢波线末端的输 出耦合装置输送到负载。 尉鞭输射臻辅出 图i - 1 行渡冒剖向圈 在现代电子设备中，都要求各种有源器件具有高效率。首先，在一定的高频功率 输出情况下，效率较高的管子意味着只需要较小的功率源。另外，高效率管允许消耗 较小的散热能量。 在将行波管用作输出放大器的机载和卫星微波系统里，可资利用的功率受到重量 和成本的限制。在这样的场合里，改进行波管的效率可以显著的提高输出功率。从散 热方面考虑也希望改进效率。 功率方面即使是小的提高也可以带来巨大的效益。例如，在商业通信卫星上，一 个1 2 0 w 射频输出转发器的租用费用大约每年$ 2 m 。于是以一般的卫星寿命十五年计， 山东大学硕士学位论文 一个转发器“价值”$ 3 0 m 。假设卫星可提供1 0 k w 功率，电源( e p c ，将卫星上的电 压转化为t w t 电极所需电压) 和行波管效率分别为9 3 和6 9 ，这种情况每个转发 器消耗1 8 7 o w 的功率，卫星可以携带5 3 个转发器。如果行波管的效率提高到7 0 ， 则每个转发器只消耗1 8 4 3 w 的能量，制造商可以在卫星上安装5 4 个转发器。这样， 1 的效率提高可以产生约$ 3 0 m 的经济效益。所以各国的行波管研究制造者都在不断 的努力提高行波管的效率1 2 j 。 最近十年中行波管的效率得到了很大的提高。图1 2 给出了在1 9 8 5 2 0 0 0 十五年间 k u 波段空间行波管在效率提高和重量减少方面的进展口j 。 享 耋 扛 薹 l 喜 图1 2k u 波段空间行波管输出功率、 效率和重量的进展 图1 - 3 某行波管的功率平衡图 1 2 提高效率的方法 为了提高效率，需要对行波管哪里产生热量做细致的分析。这样找出最需改进的 地方。图1 3 给出了一只典型的k u 波段空间行波管工作在饱和时的功率百分比。消耗 功率的大部分转化为r f 输出，为7 0 。我们关注的3 0 转化为废热的功率分为以下 几部分：总功率的大约2 用来加热阴极，2 的损耗是由于螺旋线部分截获电流引起， 1 w ，7 是射频电路和输出耦合的损耗( 电路热量2 r ) ，最大的一部分是收集极产生 的热量，提高行波管效率就主要集中在这里p j 。 通过分析可以看出，行波管的效率可经两种途径改进。第一，可改进电子效率( 或 称基本效率) ，使功率更多转化为r f 输出。在这种技术里，改进慢波电路和电子注之 间的基本微波互作用，像减少介质负载，较高的导流系数，慢波电路相速渐变或跳变 等方案都能改善电子效率。但由于受工作原理的限制，只能使效率得到有限的提高。 一i：)誊妻u 山东大学硕士学位论文 尤其对于宽频带行波管，这些技术不能使效率获得显著的改进。第二种方法是回收互 作用完毕的电子注里的功率，减少收集极产生的热量，这主要通过降压收集极来实现。 应提到的是，上面的分析是对一工作在饱和状态的行波管。目前装备的器件大部 分都工作在这种模式( 或至少在饱和十分之几分贝内) ，不管调制方式是模拟还是数字。 不过，现代技术趋向更复杂的数字调制，往往需要行波管工作在低于饱和几个分贝。 这种情况下，行波管消耗的功率转化为射频输出的部分减少，转化为收集极热量的增 多。所以，不管行波管是工作于饱和状态还是低于饱和，提高效率的重点还是放在减 少收集极产生的热量上。 1 3 多级降压收集极 降压收集极能将作用后电子注的残余动能转化为电源中的储能，这样减少了管体 损耗，否则这部分功率将转化为碰撞收集极电极所产生的热能。这通过使收集极电极 电位低于管体电位实现。 收集极电位如果低于慢波线电位，则慢波线与收集极之间就出现了减速场，收集 极电位越低，减速场越强，电子离开慢波线进入收集极时受到的减速越大，电子打上 收集极的速度越小，消耗在收集极上的能量也越小。因受减速而少消耗的这部分能量， 由于电子在减速场中运动，电子对电源作功而将能量交回给直流电源了。这就是采用 降压收集极提高行波管效率的原理。 采用收集极降压的方法，不仅可以提高行波管的效率，而且可以降低对冷却系统 的要求，降低管子成本和维护费用。 我们简单分析一下电压降低量和效率提高量的关系i l 】。 图1 - 4 供电电路示意图 图1 - 4 为行波管收集极降压运用时的一种供电电路。电子注在工作电压加速下 进入慢波线区，与行波场作用。假定收集极电位为，电子注电流为，。，慢波线截获 电流为k l 。，其余的电流( 1 一) ，。打上收集极。这样慢波线电源供应的直流功率为k l 。v o ， 山东大学硕士学位论文 收集极电源供应的直流功率为( i - k ) i o ，而直流电源供应的总功率只即为两者之和。 设电子注交给高频场的功率为p d 。，则得到收集极降压运用时行波管的效率为 。r ：垒： 墨! ：刍! 。r 盯。+ ( 1 - k ) l o k o v o k 十( 1 一) 善】 p 0 未采用降压收集极时的行波管的效率为 町2 袁嚣 所以叩= j b k + ( 1 一七) r o 若k = o 0 5 ，收集极电压降为慢波线电压的一半，k = 圭，则，77 = 1 9 r ，即收集极 降压后使效率提高到原来的1 9 倍。 从提高效率的角度看，似乎收集极的电压降得越低越好，实际并非如此。 在无射频调制时，全部电子以大致相同的速度行进，这些电子可以近似于阴极电 位的电位被收集。在这种情况下可以回收电子注能量的9 0 到9 5 。但是，当引入射 频调制时，对电子注的调制使电子速度分布于一个较宽的范围内，收集极电压过低时 导致较慢的电子在进入降压收集极电压区域时在减速场作用下向四面返折。虽然电子 注的快电子可被进一步降压的收集极所收集，但会引起慢电子更严重的返回进入螺旋 线区域。这些返回电子会引起螺旋线过量耗散和射频不稳定。 解决上述问题的方法是设置一个以上的收集电极，即采用多级降压。较慢的电子 由较高电位的电极收集，而较快的电子由较低电位的电极收集。在理想的情况下，假 设可将电子注按速度分为许多级，每一级电子都在尽可能低的电压下被收集，行波管 的收集极效率可以做到近似于1 0 0 。径向速度、有限数目的收集极级数、随时间变 化的空间电荷聚焦、电子注噪声和收集极区的次级电子等因素，使得理想情况不能实 现。但仍可取得很高的收集极效率和总效率。 图1 - 5 ( a ) 给出了一支行波管加装五级i l c m d c 和未加装时整管输出效率与频率的 关系。收集极的电极电压经调整和优化，对整个倍频程都适用。此行波管是一双模式 行波管，具有3 分贝脉升比( p u l s e u pr a t i o ) ，由t e l e d y n em e c 研制。可以看到，加 装了多级降压收集极后整管效率从1 0 2 0 提高到4 0 - 5 0 左右。在图l 5 ( b ) 中我们 可以看到m d c 在得到图4 结果的相同的频率范围和条件下的表现，效率水平在8 5 山东大学硕士学位论文 左右【4 1 。 l ，k x v - q雹。 、艇塌弱一o f 蛳c ， o “ 可_ 一- 呐 删本 目；寮 p 一 o 啕h _ _ c h卜- o 、 e i h q a w l q , 髓 图l 一5 a 多级降压收集级对整管效率影响 5 6l d 2o tt f q “ 图1 5 bm d c 效率与频率关系 降压收集极概念早在四十年代就提出了。但“科学”的降压收集极概念，开始于 六十年代末。事实上，当时在微波管实验室中流行一种错误的观点，就是多于一级， 最多两级收集极回收的功率不可避免的会被由此引起的回流和截获的严重增长抵消。 于是这里的“科学”意思是用一种巧妙的结构设计成功实现的在多个降压级上回收大 部分作用后电子注动能的收集极，它的物理模型没有回流的有害影响，可以实现。科 学的降压收集极已经应用在用于空间、地面、航空的大量行波管中。 描述降压收集极的参量是它的效率，定义为回收的动能与进入收集极的动能之比。 收集极效率不是独立的，它与基本管效率导流系数调制方式和程度有关。它的作用 产生于一个事实，两个或更多的收集极用于同一微波管，会得到不同的整管效率。换 句话说，“某个收集极比其他的好”和一些研究者所争论的“收集极效率概念无用”等 观点是不正确的【4 j 。 1 4 降压收集极研究情况 1 9 5 8 年，w o l k s t e i n 使用单级降压收集极使行波管效率达到了3 0 的水平p j 。在尔 后的十年中s a u s e n g 和p r e i s t 分别报导过效率超过6 0 的行波管和速调管。在这两个 报告中降压收集极的使用均是改善效率的关键因素1 5 】。1 9 7 2 年，n e u g e b a u e r 和m i h r a n l 6 】 利用l o 级降压收集极将速调管的效率从未采用降压措施的5 4 提高到了7 0 9 。在 1 9 9 8 年末，休斯公司一个典型的c 波段t w t 8 5 6 0 h ，效率仅为6 0 。通过提高作用 后电子注分布函数的可回收特性和使用另一种己有的收集极设计，c 波段8 51 0 0 h 叮i叶争叶fi =sl手，墨t u o l _罩-置寸i王亏二芒占 山东大学硕士学位论文 t w t 效率比先前的设计提高了5 个百分点；2 0 0 0 年又重新设计了电子光学系统优化 收集极效率，现在的效率比开始用作改进原型的8 5 6 0 h 提高了十个百分点，达到7 0 左右。型号为8 81 2 5 h 的一种k u 波段管子，在1 9 9 8 年末，效率大约是7 0 ，通过 使用先进的分析方法重新设计了收集极电子光学系统，t w t 效率提高了三个百分点 捌。 行波管效率的这种明显提高直接归功于近年来计算机模拟技术的发展。 迄今为止，人们设计过多种不同的收集极结构，如轴对称静电场收集极、非轴对 称静电场收集极及倾斜电场收集极等。 在六十年代末和七十年代初，通用电气公司的w n e u g e b a u e r 和刘易斯研究中心的 h k o s m a h l 在微波管多级收集极方面进行了分析和试验工作。虽然两人的设计方法不 同，但在线性注微波管里都采用了磁屏蔽、轴对称静电收集级结构。t e l e d y n e m e c 采 用磁屏蔽、轴对称静电场设计的简单性，制成的二级和三级收集极的效率为7 5 8 3 ， 这些收集极用于3 0 0 瓦倍频程带宽电子对抗管1 7 l 。 这种轴对称静电场收集极因结构易实现、不需另加磁场而被广泛研究和使用。这 种结构在基本互作用效率约1 7 的管子中能取得超过8 5 的收集极效率。本文中主要 对这种结构作了研究。 1 5 收集极计算机辅助设计 随着计算机硬件的飞速发展，以前被认为难以应用的数值模拟方法现在变得非常 容易。计算机建模和模拟已经应用于真空电子微波源的设计和研制。用数值模拟代替 反复实验的方法设计和优化器件，降低研制费用，改进和加快设计进程。 前面提到行波管性能的改进主要是由提高收集极的效率着手的。不过在九十年代 中期以前的十年中性能的改善却主要归因于电子注互作用效率的提高，因为使用复杂 的大信号模拟程序来设计螺旋线的渐变。有效的优化了电子注与高频场的互作用。再 进一步使用大信号模拟方法来改善螺旋线的性能变的更为困难，于是人们开始注意收 集极模拟，近几年许多模拟收集极的三维程序被开发出来p 1 。 收集极设计的许多工作是借助计算机程序完成的，计算机可以计算互作用过后进 入规定的收集极空间的电子注的电子轨迹。每次运算的电子轨迹和等位线绘于给定收 集极空间，而新的收集极形状则以这些结果和电子光学为基础。 山东大学硕士学位论文 收集极设计工具是2 d 或3 d 的静电场粒子模拟( p i c ，p a r t i c l e i n - c e l l ) 程序，互作 用区输出的电子注作为输入，进入收集极。需要复杂的多维模拟程序来优化收集极电 极电压、形状、位置，尤其是处理收集极里的散射原电子和次级电子的重要影响。这 些程序还要涉及到材料问题，计算热分布，计算可能回流到互作用区的电子的轨迹等 b s l 。 当前，美、英、意等国家已经有了先进的、比较完善的用于分析设计降压收集级 的计算程序。 九十年代中期，英国的r g c a r t e r 等人在k o b r a 三维离子源和离子束维持程序 的基础上，开发研制了一个非对称交叉场多级降压收集极的三维模拟软件。这个软件 以3 一d 有限差分程序k o b r a 3 i n p 为计算手段，备有一个用户友好的输入界面，引入 了次级电子轨迹计算功能，和在能量空间绘制电子轨迹图的方法【8 】。 s a i c ( s c i e n e ea p p l i c a t i o n si n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n ) 和其合作者近几年开发了一个 新的3 d 有限元电子枪和收集极模拟程序m i c h e l l e 。为达到精确的电子收集模拟能 力，程序使用了r a y t h e o n 公司开发的复杂的次级电子发射模型的算法。这个程序被应 用来设计b o e i n g e l e c t r o nd y n a m i c sd i v i s i o n 的一个四级降压收集极，取得了9 0 左右 的收集极效率1 9 l 。 c o c a ( c o l l e c t o rc a t a n i a ) ，由意大利的c a t a n i a 大学在e s a e s t e c 计划支持下开 发的一个新的设计行波管多级降压收集极的3 d 有限元工具，在w i n d o w s 操作环境下 用c + + 编写。完整的模拟程序包括三个主要模块：一个3 d 确定性神经系统 ( d e t e r m i n i s t i c n e u r a l ) 有限元网格生成器，一个有限元v l a s o v 求解模块结合考虑外加 磁场的电子轨迹计算模块，和结果还原的后处理模块，包括次级电子的影响。通过专 门开发的可以控制一个模拟过程所有方面的友好用户界面，可以交互式的管理和执行 所有功能。参考文献【1 0 】中对一个非轴对称收集极进行了模拟计算，与实验结果取得 了很好的一致。c o c a 是行波管收集极设计、试算、优化、新的几何形状检验的方便 有效的工具【1 0 】。 在h u g h s e l e c t r o nd y n a m i c s ( h e d ) ，一整套程序被用来分析行波管性能。慢波电路 和电子注的互作用使用q h e l i x 程序模拟，电子枪使用c t h e r m g u n 程序，收集极 使用t c l l e c t o r 和c c o l l e c t o r 程序来模拟。c t h e r m g u n 是一个用于电子枪 的粒子模拟( p i c ) 程序。使用可变形有限元网格求解由边界条件和空间电荷决定的电 磁场。几何形状可以从使用c a d 程序建立的i g e s 文件输入。c t h e r m g u n 是使用 0 山东大学硕士学位论文 c + + 编写的面向对象的程序。它的输出成为互作用模拟程序q h e l i x 使用的一部分输 入数据。q h e l i x 的输出有一部分是互作用后电子注的特性参量。这些数据成为设计 和分析多级收集极的输入。目前，h e d 使用的c c o l l e c t o r 是用c + + 编写的降压收 集极模拟程序，使用与c t h e r m g u n 相同的基本算法，相同的网格，粒子模型，场 和i g e s 实体类型。它可以用几种方式输入粒子初始条件，包括从c t h e r m g u n 和 q h e l i x 输入。t c o l l e c t o r 是c c o l l e c t o r 的时域版本j 。 这个计算过程已经成功的应用于2 - - 4 5 g h z 功率水平1 5 2 0 0 0 w 的行波管设计中。 参考文献【】中给出了几个c b a n d ，k u b a n d ，k b a n d 空间行波管的应用实例。计算 结果与实测结果一致性很好。 1 6 论文内容 研究m d c 工作原理和结构，分析m d c 能量回收。在一个通用电子枪计算程序的 基础上，编制了一个2 维的轴对称多级降压收集级模拟计算软件。在w i n d o w s 操作系 统下，利用v i s u a lf o r t r a n 编写调制。对收集极中的次级电子问题作了研究，分析并提 出了解决方案，在程序中作了相应的处理。对几个型号的收集极做了试算。利用程序 对进入收集极前电子注的再聚焦问题作了初步的探讨。 山东大学硕士学位论文 第2 章多级降压收集极的原理与结构 本章从分析互作用后电子注能量入手，分析多级降压收集极( m u j t i s t a g ed e p o s e d c o l l e c t o r ， m d c ) 的原理、回收能量，对常见的轴对称结构作了分析，对收集极效率 做了定义。 2 1 多级降压收集极回收能量分析 多级降压收集极采用多个不同电位的电极在收集极内形成适当分布的电磁场，将 经过高频作用后的电子按速度分类分别进行收集，使动能大的电子打到低电位电极上， 动能小的电子打到较高电位的电极表面，从而使电子到达相应电极表面时速度都达到 最小，甚至接近于零。 收集极的作用对象是高频作用后的电子注。电子注和收集极的效率是通过进入收 集极的完成与高频场互作用的电子注的速度分布联系起来的。所以，我们从互作用后 的电子注的能量分布着手，来分析多级降压收集极的能量回收，分析其为什么能比单 级降压收集极效率要高，收集极电极数目增加与效率提高量的关系等问题。 2 1 1 电子畿量分布m 1 前面提到，收集极的电压并不是降得越低越好，象图2 一l 所示的收集极，降压水 平很大程度上依赖于电子注中的电子速度分布。如果电压降得过低，较慢的电子会在 收集极形成的减速场作用下折返。象图2 2 所示那样，随着收集极相对管体的电压降 的增大，收集极电流将会减小而管体电流将增大。过大的管体电流会对r f 结构产生 损害。而且，返回电子产生的回流通过管子时在r f 电路中引起噪声，还会提供信号 反馈通道。象图2 1 所示的单级收集极只能回收互作用后电子注中剩余能量的大约 3 0 4 0 ( 依赖于管子类型) 。 山束大学硕士学位论文 覃f 习v dl 一一ij i h ， z 。 善1 2 “ 。4 o24b81 01 21 4 c 邮e c h v o l i l l l eo c 、，b t l l o , , v 8 0 却v 曲却町 图2 - 1 图2 2 为了回收作用后电子注的大部分功率( 超过1 1 0 7 ) ，同时防止电子回流，收集极内 的电场形状应能使所有电子在打上收集极时速度接近于零。另外，场的形状应该能防 止次级电子被加速( 这样会消作用后量) 或离开收集极。 为了更好的理解收集极电压降与效率关系，我们研究一下进入收集极的作用后电 子注中电子能量。为便于说明，假设收集极电压可调节。( 注意这不是实际供电方式， 因为实际有功率流入电源。电源象个持续充电的电池。) i l 00 咯w辑诏蜘n v o o i l 图2 3 收集极电流与电压降低量的关系 在图2 3 中曲线表示了收集极电流与电压( 相对管体电位) 降低量k 。的关系。在 这里假设只要收集极电压没有降得太低，管体电流为零。次级电子电流也忽略。当 = o 时，即收集极未降压，所有的阴极发射电流到达收集极，收集极电流，。= ，。当 没有射频互作用时，没有能量从电子注中取出，所有的电子以离开电子枪时的能量进 入收集极。于是，当收集极电压降低到= 之前，所有的电子都能打上收集极。 当一大于，所有电子都不能克服电场力没有电子能打上收集极，电流，。“马上 降为零。 当行波管有射频调制时在电子注与线路中的高频波相互作用中，电子的一部分 山东大学硕士学位论文 动能转化为高频能量，电磁波信号得以放大：由于电子运动相对于电磁场相位来说， 所处位置各不相同，它们向行波场交出的能量也就不同，大部分电子交出一定的能量 而被减速，而少数电子甚至会从行波场中吸收能量而被加速。因此，在作用后的电子 注刚进入收集极内时，各电子的速度零散度很大。在螺旋线行波管中，一些电子会失 掉初始能量( 离开电子枪时携带的能量) 的3 0 - 4 0 ，而有些电子会获得达3 0 的能 量。 在有射频调制下，当收集极电压从管体电位降低，使最慢的电子刚剐能达到收集 极，此时所有的阴极电流都能打上收集极。此时的电压降低量在图2 3 中用。表示。 当收集极电压继续从。降低，越来越多的电予不能到达收集极表面而返回，收集极电 流，。不断下降。当降到低于阴极电位的某一个点，能量为e 圪。的最快电子将 不能打上收集极，收集极电流降为零。曲线在和y o 之间的部分是由在与r f 波互 作用中被加速的那部分电子形成的。 一般说来，每一电流值，象图2 3 中的，是由能量大于或等于e k 的电子形成。 这样。收集极电压( 相对管体) 降低量为k 时，能收集的最大电流时，。，其余的电流 ，。一亿返回管体a 图2 - 3 中曲线的形状很大程度上依赖于电子注与射频线路的互作用特性。例如， 图2 - 4 给出的一支螺旋线行波管和一支高效率速调管的电子注能量分布曲线。( 图中 电流和电压对阴极电流和电压值作了归一化处理) 。对于速调管，由于互作用比较强烈， 些电子几乎失去全部初始能量，而有些被加速到能量接近原来的两倍。这样即使收 集极电压只低于管体电位一点也会引起电子回流。 o j 7 5 至o ” o 2 5 o v v a 图2 - 4 电子注能量分布曲线 d 山东大学硕士学位论文 2 1 ，2 电子注功率 在图2 3 中，电流放表示为电压的函数，于是啦线下面积戟代表功率。例如，没 有射频调制时曲线下身勺葱积为厶，就是直流功率只。当加上射频调皋后，没有射 频调制时的矩形和有调制时的曲线相差的部分，如图2 5 中阴影部分，差不多就是转 化为射频功率的电子注功率。有些功率损失在曲线下再加上射频损耗，所 以实际上射频功率输出要比图中阴影面积要小一些。 图2 - 5 舀2 - 6 在图2 5 中，曲线下的面积就是作用过的作用后电子注剩余的能量。这是用理想 的收集极能回收的最大功率。使用一级电极的降压收集极能回收的功率如图2 6 中的 阴影部分。 2 1 3 管体电溘影响 管体电流对能量分布衄线的影响如图2 7 所示。由于管体电流和电压常表示成阴 极电流和电压的百分比形式，在这里，电压和电流对阴极电压和电流值做了归一化处 理。 口 8 0 0 v 翻，v 0 圈2 7 管体电流对能量分布曲线的影响 山东大学硕士学位论文 由图中的三条曲线可看出，当射频调制水平从零( 直流情况) 到低调制水平( 低 基本效率) 到高调制水平( 高基本效率) ，随着调制程度的增加而增大的管体电流对能 量分布曲线的影响。管体电流使曲线下的面积减小，这样可以被收集极回收的功率减 少了。 2 1 4 多级降压收集极回收能量 在前面章节中，给出了进入收集极的电子注电子的能量分布曲线，曲线下的面积 代表了电子注中可以回收的最大功率。为了尽可能多的回收这部分功率，收集极必须 被设计成可以将作用后的电子注中的电子按能量分类收集。这样，每一能量段的电子 被合适电位的电极收集，回收尽可能多的能量。 图2 - 8 给出了使用四级收集极大体可回收的作用后电子注功率。在这里没有考虑 次级电子的影响。收集极的一个电极降到阴极电位k ，可以收集能量在p p 范围 的电子，这部分电子电流为，。降压到以的电极收集电流为，不包括，。因为此部分 电流被电位的电极收集。 图2 - 8 四级降压收集极回收的功率 四级收集极回收的总功率就是图中阴影部分的面积。即 匕。= ，l u + ，2 + ，3 巧+ ，4 吒 比较图2 - 8 和图2 - 6 可以看出，多级降压收集极可以比单级降压收集极回收更多电子 注中的剩余功率。由图2 - 8 还可以看出，收集极级数越多，回收的功率就越多，如果 有无限多级降压收集极，就可以将曲线下的功率全部回收。但实际上收集极的电极级 数不能太多，因为这会带来管子结构和供电装置的复杂程度的提高，而且，如图2 - 9 6 山东大学碗士学位论文 所示，随着级数的增加，由此带来的效率的提高越来越小。表现在图2 - 8 中为随着级 数的增加，曲线下阴影外的面积越来越小，每增加一级带来的阴影面积的增大越来越 不明显。所以，在实际应用中，收集极电极级数的选取要综合考虑效率提高量和增加 电极带来的复杂性。大多数应用中电极不会超过三、四级。 n u h t 时时d e p 俺酬踟g 鹋 图2 - 9 效率与降压收集极级数的关系 在计算机模拟中，作用后的电子注的电子能量分布可由大信号互作用程序算出。 得到如图2 - 4 的曲线，曲线上的点值为作用后电子注中归一化能量大于v v o 的电子归 一化电流。曲线下的面积就是作用后电子注中的能量，我们要做的就是尽可能多的回 收它。 这条曲线也反映了理想情况下收集极电流随收集极电压降变化的情况。 所以，当我们得到了如图2 4 的作用后电子注能量分布后，可以帮助我们确定采 用收集极的级数、电压参量，使回收的能量最大，即对应于图2 8 中阴影面积最大。 作为提高行波管效率的一种方法，我们还可以试着提高电子注的“可回收性”，同 时不降低基本效率翻。电子注的“可回收性”指经过射频互作用后的电子注的剩余动 能有多少可以被有限数目的收集极各级电极回收。图2 - 1 0 给出了三种作用后电子注分 布函数来说明“可回收性”概念。分布函数用积分形式表示，因为它们是这样测量和 分析的。曲线上的点的值为1 0 0 【l f ( e 。) 嬲1 ，心( e ) 是能量空间里注电子的概率密 度，f 。n 。( e7 ) d e = l 。电子通常被比相应电子能量电压稍低的电极收集。因此，需要 4 。 被一组电极回收的能量的分布越大，则电子撞击收集极时仍保持的平均剩余动能就越 一#一分ct己一苗i；o 山东大学硕士学位论文 大。图上“低可回收性”的分布函数能量分布广，嚣。( e ) 从阴极电压( e ) 的2 2 ，即 所谓的作用后电子注的“拐点”，到e 的1 4 0 。由于能量分布大，即使用四级收集 极仍有大量热产生。同样数目的收集极在收集“高可回收性”电子注时，由于能量分 布小，产生热量就少。最佳的“可回收性”是第三条分布函数曲线。尽管这种分布函 数比前一种“高可回收性”的能量分布范围大，但因为它的“阶梯状”特性( 即电子 分为几个单一能量群) ，这种电子注可以恰好用三级收集级有效收集。设计电子注的“可 回收性”是提高效率的最精巧的方法。国外已经有这方面的研究，取得了一些成果。 图2 ，l o 三种作用后电子注分布函数 2 2 轴对称结构分析 为了有效的收集作用后电子注的能量，一个设计良好的收集极结构应该实现三个 功能： ( 1 ) 将电子按速度分类 ( 2 ) 收集时将电子速度降到尽可能低 ( 3 ) 防止次级电子和返回的原电子回流到互作用区。 图2 1 0 给出了两种典型的轴对称收集极结构，对结构做一下分析h a 山东大学硕士学位论文 e q u 自m m u ” 一日日口 n * l o q s 粕a d - q t 嘲幽q ( a ) d l c 结构( b ) i l c 结构 图2 1 0 轴对称收集极结构 第一种被称做“散射透镜”收集极( d i s p e r s i v e l e n sc o l l e c t o r ，d l c ) 。d l c 边界 电位给定，通过格林函数的方法确定收集极内电位。如图所示，等位线向收集极入1 2 1 弯曲，可以使电子径向发散。收集极电极与数学求解得的等位线一致。电极孔径的大 小可选择，使电子以合适的电压着陆在电极上。大部分电子落在电极背面，于是发射 的次级电子受到