C波段连续波磁控管设计.pdf
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1、真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 理论设计C波段连续波磁控管设计姚昉,黎深根,武朝辉,张亚辉(北京真空电子技术研究所,北京 )摘要:本文介绍了一种C波段连续波磁控管的设计仿真,首先进行了谐振腔参数设计,通过C S T仿真软件进行本征模分析,建立了高频结构模型模拟动态P I C仿真,再通过对比磁控管预起振时阳极电流的不同状态,反向分析阴极的不同发射条件对磁控管起振的影响.最后完成对磁控管制管测试工作,得到工作电压 k V,工作频率 GH z,输出功率kW,阳极电流 A及效率 的C波段连续波磁控管.关键词:连续波;C波段磁控管;本征模;C S T仿真中图分类号:
2、T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n A D e s i g no fC B a n dC o n t i n u o u sW a v eM a g n e t r o nYAOF a n g,L IS h e n g e n,WUZ h a o h u i,Z HANGY a h u i(B e i j i n gV a c u u mE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp
3、a p e r i n t r o d u c e das i m u l a t i o nf o r t h eCW m a g n e t r o nw h i c hw o r k e d i nt h e f r e q u e n c yo ft h eCb a n d A t t h e f i r s t s t e p,w ed e s i g n e dt h ep a r a m e t e r so f a n i n i t i a l r e s o n a t o r c a v i t y,t h e na c c o r d i n gt oa n a l y
4、 z e t h eE i g e nm o d e sa p p l i e db yC S Ts i m u l a t i o ns o f t w a r e,w h i c hb u i l ta D m o d u l eo fh i g h f r e q u e n c ys t r u c t u r e,d y n a m i cP I Cs i m u l a t i o na l s oh a v eb e e nd i s c u s s e da t t h e s a m e t i m e O n t h eb a s i so f c o m p a r i
5、n g t ot h ed i f f e r e n t s t a t u so f p r eo s c i l l a t i o nc u r r e n t s,w e c a m e t oa c o n c l u s i o n t h a t t h ed i v e r s i t i e so f c a t h o d e e m i s s i o ns t a t e sw o u l d i m p o r t a n t l ya f f e c tm a g n e t r o n sw o r k i n gc o n d i t i o n s F i
6、n a l l y,w e c o m p l e t e d t h ew o r k s f o rm a k i n ga n dt e s t i n gt os a m p l e t u b e ss ot h a tw ed e s i g n e daCb a n dCW m a g n e t r o nw h i c hso u t p u tp o w e r i skW,a t t h eo p e r a t i n g f r e q u e n c yo f GH z,v o l t a g eo f k V,a n dc o r r e s p o n d i
7、n gt o t h ea n o d ec u r r e n t so f Aa n dap o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f K e y w o r d s:CW;M a g n e t r o n;E i g e nm o d e s;C S Ts i m u l a t i o n磁控管具有功率大、效率高、体积小、成本低等优点,在机载气象雷达、弹载导引头、医用放疗、工业加热等军民用领域被广泛应用.其中,脉冲磁控管主要用于各种雷达、导航设备、信标发射机等,连续波磁控管主要用于工业等离子体沉积加热、微波输能等方面,本文讨论的
8、是C波段连续波磁控管的仿真设计工作.民用磁控管常用的有()MH z,()MH z,()MH z,而C波段连续波磁控管波长更短,应用频率更高,系统更小型化,对通信领域和其他微波应用领域能更好地避免干扰.同时,由于连续波磁控管输出频率波动变化小,输出功率稳定,还可以将能量变成微波能进行无线传输.谐振腔参数设计图为C波段连续波磁控管结构示意图.由图可以看出,输出天线将互作用空间内的高频能量耦合至输出窗向外辐射,磁控管腔体采用扇形谐振腔体结构,互作用空间设计是其关键部分,它的几何尺寸和电器参数直接影响磁控管的工作性能 .其中叶片靠近阴极部分设计为窄边,靠近天线部分设计为宽边,谐振腔数为 腔,阴极两端为
9、防止电子溢出的屏蔽帽.谐振腔结构的尺寸设计目标是在 GH z频率下,输出功率为kW,总效率为,考虑到谐V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 图C波段连续波磁控管示意图振腔数(N)为.利用以下公式计算谐振腔初始尺寸:Bb N()()Bb n(r a/r c)()tec()cQLQ()eB/BB/B()r cr aNN()Q /r ar ar a()Nt(r ar ar a)()式中,B为磁场;B为特征磁场;N为谐振腔数;ra、ra、ra 分别为阳极半径、窄叶片端部半径、宽叶片端部半径;rc为阴极半径;为波长;t,e,c分别为总效率、电子效率和回路效率;b,为常数,
10、Q、QL分别为固有品质因素和有载品质因素.计算出的谐振腔初始尺寸如表所示:表C波段连续波磁控管谐振腔参数参数参数值阳极电压Va/k V 阳极电流Ia/A 磁场B/G a u s s 谐振腔数N 阳极半径ra/mm谐振腔半径ra ra/mm 阴极半径rc/mm 叶片厚度tt/mm 上述尺寸是完全根据窄叶片厚度进行设计的,即tt mm时,ra ra,根据式()计算得到Q ,显然固有品质因素过低时,磁控管总效率t显著低于 的目标值.在根据技术指标确定结构参数的计算过程中,人为选取修正系数的做法使设计结果具有较大的不确定性,因此使用C S T模拟软件用于磁控管的仿真设计工作,能有效提高磁控管的设计效率
11、.由于建立模型的需要,对部分结构作了适当简化,如图所示将宽叶片厚度t设为窄叶片厚度t的倍,即tt时,窄叶片端部半径ra 则由最大Q值决定.Ra1Ra2Ra3t1t2图叶片基本结构14001200100080060040020001.001.201.401.601.802.002.202.40/(rac3/rac2)Q0(2.05,12.04)图Qo值随大小谐振腔半径比值的变化(ra/ra)由图、可知,在tt条件下,宽窄叶片端真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 部半径比值ra/ra 时,Q值最大.对应窄叶片端部半径ra mm.这样就得到了仿真所需要的谐振腔参数.
12、本征模分析使用C S T工作室对上述磁控管的 腔谐振腔参数生成模型并进行本征模分析,如图所示,在无隔膜带条件下,模为 GH z,模为 GH z,显然会导致模式竞争;在单隔膜带条件下,模为 GH z,模为 GH z;在双隔膜带时,模为 GH z,模为 GH z,模式分隔度优于前两者.因此该磁控管阳极设计成双端双隔膜带结构,以保证较高的模式分隔度.图给出了阳块结构示意图,结合图可知,在双端双隔膜带结构条件下,该磁控管工作频率只有 GH z,略高于 GH z目标设计值.因此可以通过增加隔膜带间隙,即减少磁控管隔膜带等效电容来降低本征模频率.使用C S T本征模计算参数wrs rs 进而达到频率设计优
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