（电子科学与技术专业论文）微波管周期永磁聚焦系统cad软件研究.pdf

a b s t r a c t p o d o d i ep e r m a n e n tm a g n e t i cf i e l df o c u s i n gh a sp r o v e dt ob eu e s f u lm e t h o do f f o c u s i n gs y s t e mi np r e s e n t - d a ym i c r o w a v et u b e ，a n d i so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o s eo f e l e c t r o no p t i c so ft h em i c r o w a v et u b e p p m s ( p e r i o d i cp e r m a n e n tm a g n e t i cf o c u s i n g s y s t e m li st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em i c r o w a v ee l e c t r o n i ct u b e i ti n f l u e n c e s w o r k i n gf r e q u e n c y , p o w e r ，e f f i c i e n c y , n o i s ec o e f f i c i e n t ，s t a b i l i t y , d u r a t i o no ft h e m i c r o w a v ee l e c t r o n i c st u b ed i r e c t l y s ot h em a g n e ts y s t e mc a dt e c h n o l o g y f o r m i c r o w a v et u b eh a sb e e na l li m p o r t a n tt o o li np r o d u c i n gm w t s ( m i c r o w a v et u b e s ) t h ep a p e ri sb e g i n n i n g t h eb a s i ct h e o r yo fp p m s ( p e r i o d i cp e r m a n e n tm a g n e t i c f o c u s i n gs y s t e m ) w a ss t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e e p l y ，a n da na p p l i c a n ts o f t w a r e ， s i m u l a t i n gm a g n e t i cd i s t r i b u t i o n , w a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d t h es i m u l a t o ri sv e r yi m p o r t a n tf o rd e s i g no fp p mi nm i c r o w a v et u b e s u s i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dc a dt e c h n i q u e i sas i g n i f i c a n tw a yt oa m e l i o r a t ea n do p t i m i z e d e s i g nf o ra d v a n c i n gt h eq u a l i t yo fe l e c t r o nb e a m h o w e v e r ，t h ed e v e l o p m e n to f s i m u l a t o ri sn o te a s y t h em a n u f a c t u r eo fw m t s i sq u i t ec o m p l i c a t e di n v o l v e di nm a n y d i s c i p l i n e s s ow e m u s tm a s t e rt h eb a s i ct h e o r yo fp p ms y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e e p l yt h eb a s i ct h e o r ya n dt h e c a dt e c h n o l o g yf o rp p ms y s t e mi nm i c r o w a v et u b e s ，i n c l u d i n gt h ek i n d so fp p m s y s t e m t h es t r u c t u r eo fp p m ，t h em a t e r i a lo fp p m ，a n dt h ed e s i g np r o c e s s e so fp p m t h e n ，c r e a t ep h y s i c a lm o d e lo fs o f t w a r ea n dd e s i g na l g o r i t h mo fs o f t w a r e f i n a l l y , b a s e do nt h em o d e ms o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n do o dc o n c e p t i o n ，f o c u s i n gs y s t e m s i m u l a t o ri sd e v e l o p e d a n dt h ep a p e rc o m p a r e st h ef o c u s i n gs y s t e ms i m u l a t o ra n d m a ) ( w e u3 da n dt w t c a d a f t e ra n a l y z i n gt h e i rc o m p u t i n gr e s u l t s ，t h es i m u l a t o ri s v e 6 e d k e yw o r d ：p p mf o c u s i n gs y s t e m ，c a dt e c h n o l o g yo fm i c r o w a v et u b e s ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：叫p 年时月妒 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：醯导师签名： 日期：x o l o 年莎月旷日 胯 彦：，v 一， 毒镰 第一章引言 1 1 微波管器件概述 第一章引言 自1 9 2 4 年英国的霍尔( h u l l ) 发明了第一个微波管磁控管，到六十年代， 微波管凭借其宽频带、高功率、高增益和可多模等特有优点，一直都是国防装备 和民用电子器件最重要的部件。1 9 6 2 年，发射的电视中继卫星中就应用了行波管。 在当代通信卫星上的应用仍然占据重要的地位，特别是直播卫星，大功率行波管 转发器仍然是不可替代的关键器件【i 】。七十年代以后，在民用方面，半导体固态器 件逐步取代了中小功率低噪声的微波管器件。但是在国防装备领域，微波真空电 子器件仍然占有绝对的优势，即使采用功率合成技术，半导体固态器件输出功率 也不可能达到微波管的功率输出，满足国防装备要求。因此经过一番曲折后，在 某些特殊要求下新型固态电子器件还不能取代传统的微波真空电子器件【2 】。特别是 现代高技术战争为大功率微波管提出了新的需求和良好的发展环境，促使真空电 子器件向大功率、宽频带、高效率和高可靠性方向快速发展【3 巧】。美国国防部1 9 9 0 年度的大功率微波管会议的主题是：面向二十一世纪的器件。会议认为：“微波管 在二十一世纪仍然具有活力，是极为重要的军事电子器件，应加强对其研究开发 的投资强度【6 】”。可以预计，在今后相当长的时间内，微波管器件在军事领域仍具 有不可替代的重要地位。 微波管除了使用于军事领域，还被广泛的应用到科学研究领域，例如高能粒 子加速器、等离子体技术研究和医疗系统等领域。除此之外，商业通讯卫星系统， 广播，工业及家用微波炉也极大地依靠真空电子器件。随着真空技术和电子技术 的发展，微波真空器件的应用领域也会越来越广泛。 1 2 微波管c a d 集成环境的研究现状和展望 真空电子学领域国际资深科学家v i c t o rl g r a n a t s t e i n 提出：“现代微波电真空 器件的设计，极大地依赖于精确而强大的建模和模拟技术”。精确而强大的建模和 模拟技术可以大大节约了硬件实验的时间和费用。 近些年，随着计算机技术的飞速发展，微波管c a d 技术在多个方向上同步交 电子科技大学硕士学位论文 织着发展【7 】。微波管的发展呈现以下三种趋势，首先由各部件c a d 软件向三维发 展，计算精度逐步提高、易用性不断增强、软件界面友好、图形化的数据表现方 式更加直观，其次，由初期致力于各部件模拟软件的开发，发展到开发一整套能 模拟电子从发射、能量交换、直至电子被收集的集成环境，另外，基于各种数值 算法的大型通用电磁计算软件在微波管行业得到更加广泛的应用和持续的开发， 使适合各个领域的数值算法得到了更好的应用。 微波管c a d 技术的目标是：“f i r s t p a s sd e s i g ns u c c e s s ”即通过模拟一次制管成 功。目前微波管c a d 技术离这一目标还有一定的距离，国外正在加大投资和开发 力度【7 】。如美国国防部资助的m m a c e 项目正在开展3 个新的项目计划，力争使 软件的计算精度达到一个新的高度。我国微波管c a d 技术也经历了近4 0 年的发 展，特别是近几年来国家对微波管c a d 软件开发的大力资助。1 9 9 4 年，我国立项 开展了“宽带大功率行波管c a d 技术研究”项目【8 】。项目分为七个子课题：总体组、 电子枪、高频系统及互作用、降压收集极、聚焦系统、结构设计与热分析、数据 库系统、建立了宽带大功率行波管c a d 集成系统( 包括硬件环境、系统软件、支 撑软件、应用软件) ，提高我国行波管的综合设计能力，节约开发经费，同时培养 跨世纪的中青年行波管技术专家。这些努力使我国的微波管c a d 技术有了很大的 进步。然而与国外相比，我们还是存在着很大差距。为了使我国的微波管c a d 技 术跟上国际发展步伐，达到国际先进水平，我们还有很多工作要去做。 1 2 1 电磁分析软件介绍 随着c a d 技术的快速发展，各国家也出现了大量的商用电磁场分析软件( 如 m a g i c 、m a f i a 、c s tm i c r o w a v es t u d i o 、a n s y s 、m a x w e l l 、h f s s 等【9 】) 。 它们在微波管仿真设计中得到了很大的作用。 m a g i c 是一种时域差分粒子模拟软件。它在微波管中可以很好的模拟电子注 和高频电磁场之间的互作用过程，在速调管上得到了很成功的应用。但是，它需 要耗费大量的计算机资源。m a f i a 是一种基于有限积分方法的大型电磁场分析软 件。它包含了十几个求解模块，可以用于静态场问题、时域问题、频域问题等的 求解。该软件现在已被很好的整合到c s t 套装中，其中的c s t 微波工作室被应用 于高频慢波冷参数、s 参数的求解。a n s y s 软件是一款很强大软件在很多领域都 得到了应用，它可以用于热分析、力学分析、结构分析和电磁场分析等。m a x w e l l 是一款电磁分析软件，主要应用于磁系统的设计中。 在国内，微波管技术也得到了很快的发展。t w t c a d 软件包就是一款由电子 2 第一章引言 科技大学自主研发，可用于二维螺旋线行波管各部件的仿真软件。它由6 个软件 模块和软件之件的接口规范组成，其中包括电子枪模拟软件u e s t cg u n 、多级降 压收集极模拟软件u e s t cm d c 、周期永磁聚焦模拟软件u e s t cp p m 、注波互 作用计算软件u e s t cb w i 、高频冷测软件u e s t ch e l i x c t 、数据库知识与专家 系统u e s t cd b 和接口规范。1 、胛c a d 是一款二维微波管c a d 软件，只能计算 轴对称螺旋线行波管，存在着计算的局限性。三维微波管模拟器套装( m i c r o w a v e t u b es i m u l a t o rs u i t ，m t s s ) 可以克服这一局限性，其由六个模块组成：微波管设 计环境( m i c r o w a v et u b ed e s i g ne n v i r o m e n t ，m t d e ) 、电子光学模拟器( e l e c t r o n o p t i c ss i m u l a t o r ，e o s ) 、高频电路模拟器( h i g hf r e q u e n c yc i r c u i ts i m u l a t o r ，h f c s ) 、 注波互作用模拟器( b e a mw a v ei n t e r a c t i o ns i m u l a t o r ，b w i s ) 、磁系统模拟器 ( m a g n e t i cs i m u l a t o r ，m s ) 、输入输出窗模拟器( w i n d o w ss i m u l a t o r ，w s ) 。其中 m t d e 、e o s 、h f c s 、b w i s 已初步开发完成。这些软件已经被我国制管单位广 泛应用，成为了我国微波管的核心设计软件之一。 1 2 2 微波管c a d 技术展望 微波管c a d 软件是缩短微波管研制周期，节约制管成本的有效方法。它为更 好的设计出微波管各部件提供了重要的参考数据。当前，计算机多核应用和g p u 计算都为c a d 技术提供了快速发展的空间。多核的并行计算提高了计算的效率， 可以同时处理繁琐的多模块。另外，就是g p u 强大的浮点运算能力可以将运算能 力从c p u 提高十倍以上。n v i d i a 的t e s l a t m 就是一款专为通用计算而推出的产品。 1 3 周期永磁聚焦系统的研究现状和进展 从1 9 5 4 年b e l l 实验室开始p p m 聚焦研究，现代p p m 聚焦的微波管已有很大 的进展，无论是输出功率还是效率，都有极大的提高。近年来，由法国泰雷兹电 子管公司研制l 波段和s 波段行波剖1 0 】，其输出功率达到了2 3 0 瓦，电子注效率 达到6 3 。英国研制成功的p p m 聚焦的8 6 g h z - 9 5 g h z 波段行波管n 10 5 6 0 1 1 】， 其脉冲输出功率大5 0 千瓦，工作比2 。英国研制的9 2 g h z 9 9 g h z 波段行波管 7 9 6 h t 】，其脉冲输出功率4 0 千瓦，工作比5 。中国国营南京第7 7 2 厂研制的x 波段行波管【l 引，其最小输出峰值功率4 0 千瓦平均功率大于2 千瓦，增益大于5 0 d b 工作比5 ，电子注效率大于1 6 。中国电子科技集团第十二研究所研制的x 波段 大功率耦合腔行波倒b 】，其脉冲输出功率大于4 0 千瓦，平均功率大于2 千瓦，增 电子科技大学硕士学位论文 益达到4 6 d b ，工作比小于5 ，电子注效率1 6 。p p m 聚焦系统具有结构轻便、 耗能小等优点，当前中小功率行波管的聚焦系统普遍采用p p m 的聚集方式。 p p m 聚焦不仅仅应用于行波管中，现在有许多用于加速器的速调管也采用 p p m 聚焦。1 9 9 6 年，斯坦福直线加速器中心( s l a c ) 的d s p r e h n 最早把这项技 术应用于高功率速调管的x 波段n l c 的研究开发中，并论证了输出功率超过 5 0 m w 的稳定运行时电子效率达6 0 。这是一个很有前景的结果。其后，日本、 中国等也开始着力研究。日本高能物理研究所研制的x 波段1 2 0 m w 速调管，输 出功率1 2 6 m w ，效率4 8 5 ，增益5 3 d b 。中科院电子学研究所研制的s 波段多注 款带速调管采用周期反转永磁聚焦系统，该管的输出功率为1 8 5 k w ，效率4 4 4 ， 增益大于4 5 d b ，l d b 带宽7 6 ，电子注直流通过率8 8 ，高频通过率6 9 一- - 8 3 。 在微波管设计领域，p p m 系统将会得到更多的应用。 1 4 论文的主要工作与创新 本论文的主要工作内容是在周期永磁聚焦系统的理论的基础上，深入研究了 电磁场中的数值计算方法，运用了更适合复杂结构体模拟计算的有限元方法，对 静磁场问题建立等效元电流模型，推导出了该物理模型满足的泊松方程。设计并 开发出了可应用于周期永磁聚焦系统模拟计算的磁场分析软件。主要工作包括以 下几个方面： ( 1 ) 分析周期永磁聚集系统的磁路特点，建立该磁路的等效元电流模型，并推 导出该模型满足的泊松方程。 ( 2 ) 针对该磁路所满足的泊松方程，分别进行了标量有限元分析和矢量有限元 方法分析，最后推导出该边值问题的有限元离散化方程形式。 ( 3 ) 研究静磁场有限元方法分析后产生的大型稀疏矩阵的特点，设计节省计算 机内存资源并能减少无意义计算中的存储方式。 ( 4 ) 针对方程组的存储方式，应用广义共轭梯度求解算法，开发设计了可以应 用于轴对称周期永磁聚焦系统磁场分析的仿真软件。 论文所做工作涉及了从课题的基础理论到具体开发实现，对微波管的磁聚焦 系统基础理论和设计步骤及关键影响因素都有了深入掌握。开发出的仿真软件与 u e s t cp p m 和m a x w e l l3 d 的磁场峰值相对误差约3 左右，达到了较高的计算 精度和较好的计算效率，可以作为轴对称周期永磁聚焦系统设计的有效工具。 4 第一章引言 1 5 论文的结构 本论文共分为五章。在每章的开始部分都首先介绍了本章描述的主要问题， 在每章的结尾，给出了本章内容小结。全文结构如下： 第一章引言 本章主要内容介绍微波真空电子器件的研究现状及发展，微波管c a d 技术的 国内外的研究进展。另外，本章还介绍了电磁场分析中应用比较广泛的几种电磁 分析软件。最后介绍了学位论文的主要内容和组织结构。 第二章微波管磁聚焦系统分析 本章首先介绍了微波管周期永磁聚焦系统的基本理论，包括聚焦系统在微波 管工作中的重要性，满足微波管正常工作( 即电子注最小脉动) 的聚焦系统设计 要求。然后给出了考虑微波管工作环境并保证其使用寿命的磁系统材料的选择， 分析了各种特殊结构的周期永磁聚焦系统的结构与性能。最后，在本章结束前， 详细阐述了微波管中周期永磁聚焦系统的设计步骤。 第三章周期永磁聚焦系统设计的基本计算方法 本章首先介绍了磁路设计的基本原理。然后，讨论了磁路设计中的基本计算 方法，包括针对线性材料的磁导法和非线性的等效退磁因子法。最后，讨论了在 电磁场数值计算中应用较多的两种数值计算方法，有限元方法和有限差分方法。 第四章周期永磁聚焦系统软件设计与实现 本章介绍了轴对称周期永磁聚焦系统模拟器的软件物理模型的建立，讨论了 二维和三维静磁场问题的有限元分析，应用有限元方法开发出了磁场分析软件 ( m s ) 。并分别模拟计算一个磁环、双磁环和聚集系统单周期的模型，与 u e s t cp p m 和m a x w e l l3 d 磁场仿真软件计算结果作对比。 第五章总结 对论文的工作进行总结，同时指出还存在的不足之处和今后努力的方向。针 对研究方向做出下一步工作进行规划。 最后为致谢、参考文献与作者攻读硕士期间取得的研究成果。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章微波管磁聚焦系统理论模型 聚焦系统在微波管中起着重要的作用。电子枪发出的电子注进入与高频场相 互作用的互作用区，由于电子注的内部存在着很强的空间电荷库仑排斥力，电子 注必然要分散。这样一来，电子注不能在要求的长度内维持一定的几何形状，这 势必会降低电子注的动能与高频信号场间的能量转换率，甚至不能进行能量转换。 而且会有大量的电子打到管壁上缩短微波管的使用寿命。因此，我们必须采取有 效的方法约束这一电子束，使它在相当长的一段距离内都能保持电子注的半径基 本不变。这种约束电子注使其不发散的装置就是聚焦系统。经过有聚焦系统的相 互作用区后，高频信号场能量得到了放大，“作用完 的电子由收集极收集。 由此可见，要想使高频信号得到足够的放大，对电子注除去有功率的要求外， 还要求电子注在一定的长度距离内保持一定的轮廓形状，而达到这种要求就必须 克服电子的空间电荷作用，即必须使用聚焦系统。 经过长期的实践应用，聚焦系统从结构和场特性划分出的种类很多，但结构 轻便而紧凑的周期永磁聚焦系统获得了广泛使用。本章主要内容就是在介绍聚焦 系统种类后，详细阐述周期永磁聚焦系统这一结构的基本理论和设计步骤。 2 2 聚焦系统的种类 目前所采用的聚焦系统，从结构上来看，可以分为螺旋线包结构和永磁结构； 从聚焦系统产生的场的特性来看，可以分为均匀聚焦系统和周期聚焦系统。 均匀聚焦系统的优点是能够获得均匀区较长的轴向磁场分布，横向场较弱， 从而使电子注在很宽的电压范围内能够实现稳定的良好聚焦，得到刚度好，噪声 低的高质量的电子注。均匀聚焦系统又分为线包聚焦和永磁结构聚焦两种。线包 结构聚焦系统的磁场强度和场形分布易于调节，在工作空间大的环境下可获得高 的场强。主要用于大功率行波管、速调管以及连续波磁控管和回旋管。但是，其 体积大、重量重、耗费电源功率大和冷却设备要求甜1 4 】。均匀磁场永磁系统主要 用于o 型返波管中的电子注的聚焦。其优点是不需要电源和附加的冷却装置。但 6 第二章微波电子管磁聚焦系统理论模型 当电子注很长时，用来建立均匀聚焦场的永磁磁铁就显得很重，体积也很大。于 是一种建立在空间呈周期变化的聚焦磁场的轻便而且结构紧凑的聚焦系统获得了 广泛的应用，这种周期永磁结构聚焦系统大量应用于中小功率行波管中。 在周期磁场聚焦中，电子注在磁场变化的一个周期内，发散力和会聚力的总 作用达到了平衡，电子注时而发散，时而会聚，但维持在脉动足够小的情况下， 这样实现了电子注的聚焦【l 列。周期永磁聚焦系统在微波管制造得到了更为广泛的 应用，其较均匀聚焦系统有了很多优点，其结构体积小、重量轻、磁场的利用率 高、不消耗功率、具有易包装的结构特点，使用方便。同时，周期永磁聚焦也存 在应用方面的限制，使用时必须注意环境条件，如温度对磁性材料的影响、电子 在周期场的脉动现象、产生的高噪声和磁场的横向场，他们也影响着微波管的整 体性能。但这些并没有影响到其在微波管中的应用。 2 3 周期永磁聚焦系统的基本原理 周期永磁聚焦是以周期性分布的磁场来代替均匀磁场聚焦系统中方向一致、 强度接近均匀的磁场分布。它不是在电子运动的整个路程上利用磁场对电子注加 一个恒定的会聚力，而是周期性的对电子注加一个较强的会聚力。这个力不仅能 抵消空间电荷的发散力，而且能使电子得到了一个向轴的径向加速度，使电子从 原本的离轴运动变为向轴运动。而当电子离开该区域后，磁场的会聚力不足以抵 消空间电荷的发散力。电子得到一个离轴的径向加速度，它渐渐地使电子从强磁 场区得到的向轴速度减小，最后变成离轴运动，直到进入下一个周期的强磁场区 为止。显然在这个过程中电子是时而向轴运动，时而离轴运动的，也就是存在脉 动，而不可能存在半径不变的电子注。如果设计不当，甚至会出现不稳定现象。 因此，周期磁场的设计主要任务就是要确定磁系统所需的各个尺寸，以得到合适 的轴向磁场峰值和周期，使电子注脉动最小。另外，永磁结构的磁性材料受温度 的影响会很大，须考虑设计冷却装置的设计。 2 3 1 周期聚焦场电子脉动最小条件 周期永磁聚焦系统是对电子束的磁作用，研究磁系统就是研究电子在磁场中 的运动。同时，由于磁场是周期变化的，电子注必然有脉动存在，因此调整较为 困难。周期永磁聚焦系统周期若过大将产生聚焦的不稳定现象【6 】，所以必须满足电 子脉动的最小条件要求。 7 电子科技大学硕士学位论文 为了分析周期磁场聚焦下的电子注的傍轴轨迹方程，假设推导条件： ( 1 ) 轴上磁场满足余弦b ( z ) = 反c o s ( z ) 分布； ( 2 ) 磁场在同一电子注截面上是均匀分布的； ( 3 )当l ，时，空间电荷的电场仅在径向上； ( 4 ) 阴极无磁场( 屏蔽式，即屏蔽系数k = o ) 。 设周期磁场分布为： e ( z ) = 鼠c o s ( 三 z ) = 反e o s ( k z )( 2 - 1 ) 式中，为磁场沿轴上周期分布长度，鼠为峰值磁感应强度。 则边缘电子轨迹方程为， 警州，和孝一警一争 2 ， 其中， ，为电子注半径，为电子注平均半径， 孝= 二为归一化电子注半径， 弘2 8 1 旷等为磁场参且，_ 1 5 3 10 3 考( 帮- 2 = 1 5 3 1 0 9 乞( 寺2 为空间 电荷参量 显然，当阴极完全屏蔽时，最= o ，故k = 0 ；对磁限制流，k - - 1 ；对部分屏蔽 情况o 3 不能够满足时，则必须特 别注意尽量离不稳定区远些，以免不能聚焦，或静态虽能聚焦，而高频散焦却十 分严重。 由轨迹方程可解出脉动最小条件下的脉动值。选定周期l 后，即可求得所要 第二章微波电子管磁聚焦系统理论模型 求的鼠值。实际上，所用的峰值磁场等于求得的玩值还需要乘以一个修正系数。 对屏蔽流而言，这个系数一般是1 5 - 2 ，对于非屏蔽流，这个系数可以小些( 甚 至接近1 ) 。造成这种差异的原因是：阴极不能完全屏蔽：电子枪有象差：电子热 速度的影响；栅网或其他的原因造成的电子注电流密度分布不均匀；聚焦系统峰 值和周期的零散；管子装配不正确的影响等等。显然这些影响较大时所乘系数应 较大些。实际工作中应通过实验仔细调整，磁场过强或过弱都会使脉动增加。 另一种情况是电子注直径很接近极靴内径时，修正系数可以小于1 5 ，甚至等 于l 。这是由于周期永磁聚焦系统中，口沿着径向是变化的，轴上最弱，靠近极 靴处最强。而我们计算所得的是轴上的b 。这对于电子注半径远小于极靴半径的 情况而言，基本上是正确。 2 3 2 周期永磁聚焦系统材料选择和散热方案 微波管永磁系统的质量与磁性材料的质量密切相关因此一定要关注磁性材料 行业的进展。微波管中使用的磁性材料包括硬磁材料和软磁材料。 目前微波管聚焦系统常用的永磁材料主要有铁氧体、铝镍钴合金、稀土钴材 料和n d f e b 材料等。铁氧体永磁材料的主要特点是原材料资源丰富价格低廉。但 是由于磁性能不够高，微波管行业通常不用。铸造a l n i c o 的居里点t c 高，温度 稳定性好。这种材料过去应用广泛，现在它在全球的产量已逐年降低。s m c o 系 永磁材料居里点高，温度稳定性好，但是价格高昂。n d f e b 系永磁材料的磁性能 高，而价格相对较低，开始在微波管中得以广泛应用。它们的材料性能文献1 0 中 有详细的介绍，这里不再叙述。下面详细介绍磁环材料的选择原则和温度性能及 散热方案。 磁性材料的选择必须能够提供轴向磁场峰值磁感应强度鼠。根据极靴头以内 磁位拉普拉斯方程的计算，可得岛和退磁场乩之间的关系为 堕：丝竺竺噬皇 巩d 万g 鲁 n l o c 譬) = ，( 了一了t i ) ( 2 3 ) 式中，厶为零阶第一类变念贝塞尔函数，f ( 孚一争) 可查文献 1 0 】第2 3 4 2 3 5 页图表。 9 电子科技大学硕士学位论文 因此，只要知道兰、苎和芝就可以从下式 巩2 _ b o 丐l d p ( - 等一号) 算出h u 来，考虑到老化和温度补偿等因素，退磁场往往要增加到h m ，玩和乩 之间的关系随材料不同而不同。一般可取 f 巩( 铝镍钴材料) 风= 1 2 1 3 h u ( 铁氧体材料，考虑低温老化和温度补偿) 【1 1 巩( 稀土钴材料，考虑高温老化) 退磁场风在退磁曲线上的对应的工作点应靠近最大磁能积点，以减小磁环的 体积和重量。同时还要注意是工作点处在内禀退磁曲线的膝点以上，以避免不可 逆的温度效应。 周期永磁聚焦系统具有体积小、重量轻、以及不消耗功率等优点而得到了较 为普遍的应用，其结构如图2 1 所示。 图2 1 周期水磁聚焦结构示意图 但是，由于磁性材料的磁性能是随温度变化的，故使用时，要受温度的限制。铝 镍钴材料的温度系数最小( 约0 0 2 o c 左右) ，该种材料的磁钢通常在 6 0o c oo c 的温度范围内能正常工作。稀土材料的温度系数比铝镍钴的温度系 数稍大些( 约0 0 4 唰o c ) ，但经高温老化后仍可在5 5o c “o o c 范围内工作。而 铁氧体磁性材料的温度系数最大( 约0 2 o c ) 。只有采用温度补偿措施后，才能 在6 0o c oo c 的温度范围内j 下常工作，但结构相当复杂。同时，由于磁场是周 期变化的，电子注必然有脉动存在，因此调整较为困难。周期永磁聚焦系统周期 l o 第二章微波电子管磁聚焦系统理论模型 若过大将产生聚焦的不稳定现象，所以磁环厚度受到限制，也就限制了峰值磁场 的强度。 为了解决这一矛盾，可将某些具有高剩磁感应强度( b r ) 的材料( 如铝镍钴) 径向充磁，其组成的周期永磁聚焦系统可在较短周期下有较强的磁感应强度。例 如：行波管v a 6 2 0 采用了这种系统。周期为8 4 毫米，磁环内径为2 6 4 毫米，外 径为1 1 5 毫米，厚度为1 7 8 毫米，系统的峰值磁感应强度可达到2 0 0 0 高斯。近 年来发展起来的稀土钴磁具有极高的磁能积。如s m c 0 5 的( 明) 。大于2 0 x1 0 6 奥 高，皿大于7 0 0 0 奥斯特，e 大于7 0 0 0 高斯。这种材料采用了轴向充磁，其峰值 磁感应强度可达3 0 0 0 高斯以上【6 1 。 另一种解决这种矛盾的办法，就是添加冷却装置。大功率微波管不可忽视的 一个重要问题就是散热。由于电子注截获和高频损耗都会产生大量的热量。因此 散热能力的好坏往往影响到微波管的输出功率、注波互作用效率，有时甚至会导 致微波管被烧毁的可能。据对某高平均功率行波管的初步估算，行波管慢波系统 的发热达2 , 、- 3 k w ( c w ) ，若不能及时导出，会影响永磁体的性能、行波管工作的 稳定，甚至导致螺旋线烧毁。为此，设计了两种散热方式，分别示于图2 2 和图 2 3 所示。 匪盈 飞酉飞r 旷 。一 图2 2 部分填充p p m 方案图2 3 全填充p p m 方案 图2 2 为部分填充p p m 聚焦系统方案。其永磁体相间排列，极性全部同向， 两极靴问放置冷却环，其中通冷却水，既可冷却管壳，亦可冷却磁体。在适当部 位可不放置冷却水套而放置输入输出结构。其问题是这种系统可否保证接近余弦 分布的周期场，如何设计磁体与极靴的形状才能得到最佳效果。图2 3 则把冷却水 套置于p p m 聚焦系统之内，它可以保证对行波管最好的冷却，对永磁体最好的保 护，但大大增加了永磁系统极靴的内径，使在轴上产生高场强变得十分困难，需 电子科技大学硕士学位论文 进行仔细的分析研究。 2 4 周期永磁聚焦系统的结构分析 周期永磁聚焦系统作为长电子注聚焦的一种有效方法，被大量的用于中小功 率行波管。目前，已研制了多种结构的周期永磁聚焦系统，如轴对称磁化相斥排 列周期磁系统、轴向磁化相吸排列周期磁系统、径向磁化周期磁系统、轴向磁化 与径向磁化组合的周期磁系统、用纯铁极靴将永磁体的n 极和s 极交替引入工作 空间的周期磁系统。此外，还有轴向磁化相吸和相斥排列混合组成的周期磁系统。 所有这些结构形式中，以轴向磁化相斥排列的周期系统应用最为广泛，这方 面的研究资料也最多。这是因为这种结构在管子聚焦调试上比较方便，制造工艺 简易。这种结构的磁系统一般采用心。1 的永磁铁氧体材料和稀土钴永磁材料制 成。其他几种结构都由于各自的缺点而未能获得更多的应用。如轴向磁化相吸排 列周期永磁聚焦系统和径向磁化周期永磁聚焦系统，制造工艺比较麻烦，且对永 磁材料有一些特定的要求，应用上长受到一定的限制。轴向一径向磁化磁环组合 周期场磁系统只有在允许周期较长时才可使用。用极靴将磁体n 极和s 极交替引 入工作空间的周期磁系统的体积和重量都较大，不宜在重量和体积有一定限制的 场合下使用。 鉴于上述情况，本论文研究对象主要是轴向相斥排列的周期永磁聚焦系统。 这里并不是说径向磁化周期磁系统和其他聚焦系统无可取之处，它们是解决特定 情况问题很好的聚集结构。由于磁化方向是径向的如图2 4 所示。 图2 - 4 径向磁化周期聚焦系统 磁体长度l m = 2 ( 足一蜀) 不受周期的限制。这在一定程度上缓和了功率较大的 行波管要求磁场较高而周期又要很短的矛盾。但不足之处就是工艺复杂、成品率 低、聚焦调试不方便、流通率不宜提高。 轴向一径向磁化磁环组合周期磁系统是将轴向磁化相斥排列周期磁系统中的 1 2 第二章微波电子管磁聚焦系统理论模型 极靴换成为径向磁化永磁磁环，即成为轴向一径向磁化磁环组合磁系统。结构如 图2 5 所示。 图2 - 5 轴向径向磁化磁环组合磁系统 这种系统采用的材料都是高矫顽力的永磁材料( 如永磁铁氧体和稀土钴永 磁) ，磁系统产生的磁场强度峰值可以认为是轴向磁化磁系统和径向磁化磁系统单 独计算值的线性叠加，能够提高轴向磁场强度。 用极靴将磁块的n 和s 极交替引入工作空间的磁系统，这种系统可以在轴向 产生周期分布的磁场。它对极靴的加工精度和装配精度要求很高，如果能够达到 要求，磁场的对称性很好，横向场很低，是有利于聚焦的。由于其体积大和重量 重，主要用于地面设备。 2 5 周期永磁聚焦系统设计步骤 在微波管设计中，典型的周期聚焦系统的基本结构图形如下图2 - 6 所示。 图2 - 6 周期永磁系统各参数示意图 周期永磁聚焦系统设计步骤如下：在选定所有的峰值磁感应强度b o 和周期三 以后，主要的任务就是怎样设计出实现这种场分稚的磁系统。在磁系统的设计中 要确定和选中的主要内容有极靴的内半径r 3 、极靴的间距匾、磁环的厚度 电子科技大学硕士学位论文 d = ( 足一冠) 、磁环材料、极靴头外半径、磁环内半径墨、磁环外半径r 、极靴 外半径。磁环材料的选择在第三节已经叙述过，下面分别叙述其它各参数的选择 原则和确定方法【1 6 1 。 ( 1 ) 极靴的内半径的选择：完全取决于高频系统或管壳尺寸。从磁系统 而言，希望尽量小，以减小磁系统的尺寸和重量。 ( 2 ) 极靴头间距吐的选择：若周期固定不变，当g l = 0 3 3 时，磁场分布 接近余弦分布，此时三次谐波为零。当g 偏离0 3 3 时，磁场分布将 出现三次谐波，偏离越大，三次谐波也越大。当g l o 3 3 时，鼠下降，三 次谐波为负。一般选择g 在0 2 5 0 3 3 之间。 ( 3 ) 磁环厚度的d = ( 足一r ) 的选择：d l 一般选择在o - 3 0 4 之间，希望 尽量大些，关键在于不使极靴饱和。极靴中的最大磁感应强度可以用下 式近似估算：2 夏 砭o - 丽m l l 。式中，巩是磁环工作点的磁场强度。 极靴材料一般选择工业纯铁，这时应使b 。 。 ( 6 ) 磁环外半径足的选择：磁环外半径足是磁系统设计中主要的待确定量。 磁环外半径的确定有两种计算方法，一种是磁导法，即假定磁环中退磁 场是均匀的，另一种是考虑到退磁场不均匀的，即所谓的等效退磁场法。 这两种方法将在下一章详细阐述。 ( 7 ) 极靴外半径匕的选择：吒可以选择等于r 或者0 9 足。若取等于是，则 可采用外圆对中，装配方便，但外部杂散磁场增加，轴上磁感应强度降 低；若取0 9 足，则对充分利用磁环较为有利，但必须考虑采用内圆对 中。 以上步骤完成后，我们就得到了一个基本满足要求的周期永磁聚焦系统。在 1 4 第二章微波电子管磁聚焦系统理论模型 经过聚焦系统的测试后，就可得到特定微波管中所需的聚焦系统。 2 6 小结 本章首先介绍了微波管周期永磁聚焦系统的基本理论，包括聚焦系统在微波 管工作中的重要性，满足微波管正常工作( 即电子注最小脉动) 的聚焦系统设计 要求。然后给出了考虑微波管工作环境并保证其使用寿命的磁系统材料的选择， 分析了各种特殊结构的周期永磁聚焦系统的结构与性能。最后，在本章结束前， 详细阐述了微波管中周期永磁聚焦系统的设计步骤。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章周期永磁聚焦系统设计的基本计算方法 真空电子器件的聚焦系统设计的基本原理是基于麦克斯韦电磁场理论。一百 多年前，麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，并一直沿用至今。人们在电磁场领 域应用这套理论也解决了很多问题，可是实践工程设计中由于实际结构体的几何 形状和边界条件比较复杂，很难直接得到麦克斯韦方程的解析解。在计算机还没 有普及的时代，人们只能通过一些简化处理几何体的方法，得出场分布的近似解， 或者借助于反复的模拟试验办法比如用电解槽、导电置纸或阻抗网络等【1 7 】方法， 来得到满足工程要求的近似结果。这样，人们在磁系统的设计中也只能采用较粗 略的磁路设计的概念，可是微波管的设计需要了解电子运动的较精确的轨迹。磁 场分布的模拟精确度直接影响到聚焦系统的设计，得不到电磁场分布的较精确分 布图，就难于保证微波管设计成本和质量。因此，我们必须要设计出更加精确且 高效的近似计算方法。 通过研究员们的不懈努力，各种特殊边界条件的边值问题的近似求解方法不 断得到了改进。上世纪四十年代以前，出现了经典的磁路设计方法( 磁导法和等 效退磁因子法) ，它们在工程上都得到了广泛使用，但应用范围仍然有限。上世纪 四十年代末开始，计算机的出现并被广泛应用于科学计算上。各种数值计算方法 应运而生，在工程设计中起到了重要的作用，同时各种新的数值计算方法不断产 生和发展，其求解问题的范围也越来越大。科研工作者有了求解复杂边界条件下 电磁场分布的能力。 本章首先简述一下磁路设计的基本原理和计算的基本算法。然后，简单介绍 当前在电磁场计算中一些常用数值计算方法。 3 2 磁路设计的基本原理 磁聚焦系统的设计中首先接触到的概念就是磁路，它是磁通所占据的空间区 域。根据麦克斯韦方程中磁场的高斯定律，磁通空间分布是连续的且无间断的， 这样，一个简单的磁路般要包括磁性材料区域( 如软磁体、永磁体、通电线包 1 6 第三章周期永磁聚焦系统设计的基本计算方法 等) 和非磁性材料区域( 如工作间隙、漏磁空间等空气区域) 两部分。一个简单 的静态磁路如图3 1 所示 体 图3 1 简单的静态磁路 我们在分析一个磁路时，可以对照成熟的电路分析理论思考。具有适当高的 磁导率的金属或铁氧体导磁材料产生的磁通的分布，相当于电路中具有一定电导 的导电线路分布。永磁体提供一定的磁动势，相当于电路中的电势源。 然而，磁路分析与电路分析并不完全相似，其最大的区别就在于磁路中的铁 磁与非铁磁的磁导率之比的值并不是像电路中的导体与绝缘体的电导率之比接近 无穷大，被近似认为绝缘体。对磁路而言，非铁磁材料所占的空间区域( 包括工 作间隙、装配间隙和周围空气分布区域等) 都不能认为是绝缘的，它们也属于磁 通分布的一部分。所以，磁路的分析和计算应当包括铁磁与非铁磁材料的整个空 间区域。但基本理论依据还是基于麦克斯韦的电磁场方程组，这样，磁路的空间 场分布可以用m a x w e l l 方程组表示为以下方程。 v e = 一百o b ( 3 - 1 ) v 日讲詈( 3 - 2 ) v | ，：一譬 ( 3 3 ) v b = 0 ( 3 4 ) v e = p ( 3 - 5 ) 其中，点为电场强度，b 为磁通密度，日为磁场强度，为电流密度，d 为电通 密度，p 为电荷密度。 电子科技大学硕士学位论文 考虑空间场介质的作用，则有： i d ：s 、e 1 - p 1 b ：z f ，日+ m 夕( 3 - 6 ) 这样，直接就可以应用麦克斯韦方程组及介质关系式求解磁路的磁场空间分布。 首先，需要建立磁路的物理模型。磁体周围存在磁场，我们可以认为磁场是“磁 荷【1 0 1 ”产生的。因此，可以将一个磁体( 永磁体或软磁体) 视为一个分布有密度为成 的磁荷的物体，磁体所建立的磁场( 在磁体内外) 是由这些分布在磁体中磁荷所 产生的。因此，磁荷是磁场的源。于是可以写出 乳巩= - 4 碱( 3 - 7 ) 式中，日。是由密度成的磁荷所建立的磁场强度 在稳定状态下骂= 皿+ 以，其中只是外加磁化磁场在磁体所在空间内的磁 场强度，由麦克斯韦方程d 嚣= 0 ，得 v 日= 4 刃m ( 3 - 8 ) 从此式可以看出，由磁体中密度为风的磁荷所建立的磁场强度为日的磁场，在磁 体内其方