孟晓君 魏义学 冯玉连 来源：万方数据
关键字：CAD 微型化多级降压收集极 正向设计

　　介绍了一种微型化四级降压收集极的CAD正向设计过程.实测表明：该四级降压收集极的效率达到了75.3%以上，并具有良好的散热能力. CAD结果与实测值相吻合。

　　提高行波管总效率有两个途径，一是提高电子效率，但由于工作原理的限制，电子效率不可能无限制地提高，倍频程带宽行波管的电子效率很难超越10%; 二是采用多级降压收集极(MDC)技术，MDC可明显降低行波管的总功能，从而间接提高总效率，MDC 的低热耗特性也为结构尺寸的微型化提供了可能。
   
　　本文采用CAD技术完成了一种用于小型化行被管(Mini-TWTs)的微型化四级降压收集极的正向设计，包括电设计和结构热设计，并实测了收集极效率和收集极表面的稳态热分布，证明了此正向设计是切实可行的.与国内惯用的反向设计方法相比正向设计方法的优点在于:MDC实体制造之前就可以借助于准确度较高的CAD模型充分考察MDC的性能，从而可设计出效率尽量高、结构尺寸尽量小而又能满足环境要求的结构模型，在结构模型的基础上可方便地生成用纸。MDC正向设计流程图见图1所示。
   
    1 四级降压收集极电设计
   

    图1 MDC正向设计流程图

　　多级降压收集极的电设计主要通过CAD完成，本文中的电设计CAD工具为TWTCAD4.1集成环境中的MDC模块。对于四级降压收集极而言，为了方便用户的使用，四级MDC工作电压的选取有一定的范围，本四级降压收集极工作点初步选择范围见表1 .

    表1 四级降压收集极工作点初步选择范围
   

    1.1 四级降压收集极电气工作点选取
   
　　对于多级降压收集极而言，各个内收集极接收的电流随行波管工作频率和激励功率的不同而变化.对于四级降压收集极而言，为了方便用户的使用，约定的收集极电压一般都配置为表1给定的范围内。在静态(行波管无激励功率)情况下，电子注基本都被第三收集极接收;而动态电子注则在不同内收集极上产生明显的电流分配.
   
    1.2 收集极内裂面形状设计
   
　　图2为四级降压收集极的工作原理图.在四级降压收集极中设置了一系列入口依次扩大的内收集极电极.速度离散的电子注进人收集极区后，能量损失在eVcl 和eVc2之间的部分电子被电位最高的第一收集极C1接收，形成了第一收集极电流Ic1，同时回收了e(V0Vd)的能量， 能量损失在eVc1 和eVc2 之间的部分电子被电位稍低的第二收集极C2接收，形成了第二收集极电流Ic2.同时回收了e(V0Vc2)的能量p能量损失在eVc3和eVc4. 之间的部分电子被电位再稍低的第三收集极C3接收，形成了第三收集极电流Ic3 .同时回收了e(V0Vc3)的能量， 能量超过eVh的快电子被第四收集极C4接收，形成了第四收集极电流Ic4,同时回收了eV0的能量.
   

    图2 四级降压收集极原理示意图

    图3 内收集形状设计示意图

(l)收集极内表面形状的确定
   
　　收集极内表面形状设计考虑了两个方面：①减小二次电子对效率的影响.内收集极在高能电子的轰击下会产生比较强的二次电子发射，这些二次电子会向高电位区转移而降低收集极的效率；②抑制电子注向高频段的返流.图3给出了设计的内收集极(图中给出了一些代表性的二次电子转移情况) .在各个内收集极的人口设置了挡板，用于阻止或弱化二次电子向高电位电极转移及电子注的返流。第四收集极设计为钉子形状，其作用主要在于缩短收集极的整体长度.内收集极最终形状的确定一般都借助于CAD工具优化完成.
   
    (2) 内收集极基本尺寸确定
   
　　内收集极的尺寸从收集极整体尺寸限制和内收集极热耗散能力两方面考虑确定.在满足整体尺寸限制的条件下，为减小二次电子的影响和返流，内收集极的横向尺寸越大越好；在传导散热条件下，无氧铜材料的内收集极内表面的平均热耗散能力可取为100 W/cm2.依据各个内收集极可能产生的最大热耗，本收集极的基本尺寸取为:内收集极内径为10mm，第三收集极的内表面积(散热区域)大于1.5cm2，第二收集极内表面积大于1.2cm2， 第一收集极内表面积大于1cm2， 第四收集极的电流只是在饱和激励时产生，收流比非常小(不超过2%)，由于该极的电位为阴极电位，因此产生的热量非常少，可以不考虑散热表面积的设计限制.
   
    (3)电极形状优化设计
   
　　电极形状优化CAD设计流程如图4所示，首先进行高频互作用大信号仿真，得到失能电子注离开慢波结构时的电子注状态文件，以该文件作为收
   

    图4 MDC的优化流程图

　　集极仿真的输入文件，再借助于专门的收集极CAD仿真工具进行优化设计.图中的collector2,colleetor, collectorO 是高、中、低三个频点的RF出口处的电子注状态文件，它们来源于TWTCAD4.1的互作用模块.优化过程实质是通过枚举遍历算法对不同MDC尺寸、工作电压的多个组合进行仿真计算，直至满足优化目标.
   
    1.3 内收集极优化结果
   
　　优化后确定各级电压: Vc1为2100V,Vc2为1700V，V<c3为1100V，Vc4 为0V. 优化后的电极形状见图5.图6和表2给出了采用TWTCAD4.1收集极模块优化的静态，频率为6,1 2,18GHz饱和状态时的稳态电子轨迹和设计结果.结果表明:各收集
   

    图5 优化后MDC的电极形状

    图6 静态和f为6，12，18GHz饱和时收集极中电子运动轨迹

极的工作电压满足指标要求:各收集极电流分配合理;图中设置了合理的SBR(失能电子注再聚焦区);人口及入口档板设置合理;动态效率达到了77%以上，返流抑制较好，达到了设计目标.

    表2 设计结果
   

    2 结构热设计
    本文结构热设计CAD工具选用ANSYS软件.热设计流程见图7所示。
   

    图7 ANSYS热仿真流程图

　　假定：热量仅通过传导方式在收集极各个零件之间传导.不考虑对流和辐射，分析类型为热稳态分析.热荷载的施加：根据电子注着陆分布文件而计算出的收集极内表面的热流密度分布。是终结构的热仿真结果见图8所示。图8表示环境温度21 °c时，静态和动态工作(f= 12GHz，饱和〉收集极温度稳态分布.表3为结果分析，给出了收集极材料的热裕量，其大小直接反映了收集极的热能散能力在给定的散热条件下的安全余量.仿真结果表明：收集极在21°c冷板传导散热条件下，静态工作的热余量为96.2°c，动态、饱和工作时热余量为129.5°C.由于热传导为线性变化，故冷板为70°c时静态和动态热余量分别为47.2，80.5°C，满足了收集极在极端热环境温度下的稳定性要求.
   
    3 实测验证与结论
   
　　测试时，施加的收集极工作点与CAD仿真值一致.实测的行被管饱和工作时的收集极电气参数见图9所示，传导散热条件下收集极表面稳态热分布见图10所示.在行波管工作频带内收集饭的动态效率达到了75.3%~77.2%.回流率小于2%，散热冷板的温度为21°C，收集极座表面最高温度静态83.3°C. 动态69.2°c .收集极工作稳定.从仿真结果与测试结果的对比〈表的中可看出，仿真结果与测试结果吻合性较好. 验证了MDC 的正向设计方法是可行的。
   
　　测试时，施加的收集极工作点与CAD 仿真值一致。实测的行波管饱和工作时的收集极电气参数见图9所示，传导散热条件下收集极表面稳态热分布见图10所示.在行波管工作频带内收集极的动态效率达到了75.3% ~77.2%. 回流率小于2%; 散热冷板的温度为21°C.收集极座表面最高温度静态83.3°c .动态69.2°C.收集极工作稳定.从仿真结果与测试结果的对比(表的中可看出，仿真结果与测试结果吻合性较好，验证了MDC的正向设计方法是可行的。
   

    图8 温度21°C时，静态、动态收集极温度稳态分布图

    图9 实测MDC效率

    表3 MDC热分析结果
   

    图10 温度21°C，静态、动态四级降压收集极表面实测稳态热分布
   
    表4 CAD仿真值与测试结果的对比
   

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