本文介紹了微型化電子槍的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用成都電子科技大學(xué)開發(fā)的“寬帶大功率行波管CAD集成環(huán)境”、“微波管模擬器套裝”和基于有限元方法的三維電磁仿真軟件對(duì)電子槍進(jìn)行模擬仿真及優(yōu)化。研制出的微型化電子槍的電子注流通率大于99.5%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足整管需要，電子槍結(jié)構(gòu)安全可靠，可滿足機(jī)載條件。

　　微波功率模塊(MPM)是完全小型化和高度集成的微波放大器，它同時(shí)吸收了真空電子器件的高效率、高功率和寬帶特性以及固態(tài)器件的低噪聲和強(qiáng)信號(hào)處理能力兩方面的優(yōu)點(diǎn)，因而MPM 在下一代先進(jìn)的微波系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣泛，隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展MPM 對(duì)行波管的小型化提出了嚴(yán)格的要求，其中的關(guān)鍵技術(shù)為在保證模塊的體積和重量的在限定范圍內(nèi)，確保高質(zhì)量、高導(dǎo)電系數(shù)的電子束的聚焦技術(shù)、大電流密度陰極以及電子槍制造技術(shù)。

　　本論文針對(duì)電子槍的微型化進(jìn)行研究，利用現(xiàn)有軟件進(jìn)行仿真計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成小型化行波管電子槍的研究。

1、MPM 用微型化電子槍設(shè)計(jì)

　　1.1、電氣設(shè)計(jì)

　　由于MPM 對(duì)小體積、小重量的要求較高，因此要求進(jìn)一步縮小電子槍尺寸，在滿足整管正常工作前提下，盡量取較低的陰極的負(fù)荷，但同時(shí)由于整管的功率需求陰極發(fā)射電流沒(méi)有減小，所以陰極的面壓縮比將比較大，對(duì)于電子注的形成以及磁聚焦帶來(lái)一定的影響。

　　利用行波管(TWT)CAD二維軟件對(duì)電子槍進(jìn)行建模計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化后確定了電子槍的參數(shù)如表1所示。

表1　多次優(yōu)化后電子槍的參數(shù)

　　由表1可以看出，①電子參量滿足要求；②射程9.14mm，滿足PPM系統(tǒng)的入射條件；③陰極工作電流密度1.1A/cm²，采用的M 型陰極發(fā)射能力為8A/cm²，只用了七分之一的能力，足以保證陰極壽命大于5000h。因此上述的電氣設(shè)計(jì)是合理可行的。

　　1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在電氣設(shè)計(jì)滿足參數(shù)要求的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是電子槍設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于在較小的橫向尺寸(槍外徑小于11.8mm)內(nèi)達(dá)到足夠的絕緣強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求。

圖1　電子槍結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　陰極附近電流密度分布

　　借用北京真空電子技術(shù)研究所成熟生產(chǎn)課題的電子槍原型采用套筒式疊片結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在小橫向尺寸限制下的高絕緣性，滿足整管使用要求。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是用橫向嵌套的瓷筒實(shí)現(xiàn)高絕緣、電極支撐筒作為氣密瓷封件的金屬件，減少了零件的使用，使電子槍的外徑尺寸做小成為可能。與現(xiàn)有槍結(jié)構(gòu)相比，橫向尺寸從13mm壓縮到11.8mm，長(zhǎng)度從26mm壓縮為22mm。在使用時(shí)熱絲電壓大多是一次直接加到使用電壓，此時(shí)由于熱絲冷阻較小，所以熱絲電流較大，長(zhǎng)期的大熱量沖擊會(huì)對(duì)熱絲造成損害，直至造成熱絲斷裂。為了避免此情況的發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)熱絲設(shè)置了過(guò)渡區(qū)，即在熱絲中間設(shè)置一個(gè)圓環(huán)使熱絲的長(zhǎng)度變短，減少電子槍首次啟動(dòng)時(shí)浪涌電流對(duì)熱絲的沖擊，同時(shí)增加熱絲抗力學(xué)沖擊和振動(dòng)的能力，新舊結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3。為了控制陰極的發(fā)射電流，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)把陽(yáng)極安裝座先和電子槍組件焊接在一起，通過(guò)不同尺寸的墊片微調(diào)陰極和陽(yáng)極的距離以保證裝配時(shí)的尺寸能滿足電設(shè)計(jì)尺寸。

圖3　熱絲過(guò)渡新舊結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

　　在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行了電子槍結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

　　1.2.1、模態(tài)分析

　　建立電子槍模型后對(duì)電子槍進(jìn)行三階模態(tài)仿真，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　電子槍模態(tài)分析仿真圖

　　通過(guò)前三節(jié)模態(tài)可知，基模頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)載環(huán)境使用的2000Hz，因此不存在發(fā)生低頻諧振的可能性，安全系數(shù)非常高。

　　1.2.2、沖擊振動(dòng)分析

　　沖擊條件按照機(jī)載條件進(jìn)行，即半正弦波，時(shí)間為11ms，強(qiáng)度30g。最大位移時(shí)刻位移分布如圖5所示。圖5(a)和(b)中最大位移發(fā)生在陰極底蓋上，最大位移為4.7×10^-5 mm；圖5(c)中最大位移發(fā)生在陰極上，最大位移為1.17×10^-4 mm。

圖5　最大位移時(shí)刻位移分布

　　通過(guò)計(jì)算可知，該槍基模頻率可達(dá)9250.7Hz，遠(yuǎn)大于機(jī)載使用環(huán)境，發(fā)生諧振的可能性非常小。在30g，11ms的半弦波沖擊載荷下，橫向沖擊位移最大，最大位移發(fā)生在陰極處，最大位移為1.17×10-4　mm，相對(duì)于電子槍的裝配精度0.2mm來(lái)說(shuō)，此位移引起的電子注變化很小，可以忽略不計(jì)，因此該槍有足夠的強(qiáng)度在以上沖擊載荷下保持正常工作。

　　經(jīng)制管測(cè)試表明陰極加熱效率高，需要的燈絲功率僅5 W。同時(shí)整管通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載環(huán)境試驗(yàn)，說(shuō)明本電子槍結(jié)構(gòu)抗振能力強(qiáng)，能承受14.5g的隨機(jī)振動(dòng)、19.7g的耐久振動(dòng)和30g的沖擊試驗(yàn)。

2、實(shí)際測(cè)試結(jié)果

　　采用本設(shè)計(jì)制作了樣管，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　測(cè)試結(jié)果

　　由表2可以看出，管子的靜態(tài)流通率達(dá)到了99.5%，各項(xiàng)參數(shù)基本符合設(shè)計(jì)要求。該電子槍結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件加工周期短、裝配成品率高、絕緣性能好等特點(diǎn)。其聚焦極對(duì)管體耐壓能力達(dá)到了8kV，聚焦極對(duì)陰極耐壓能力達(dá)到了3kV，該電子槍結(jié)構(gòu)的工藝流程和技術(shù)已經(jīng)成熟。

3、結(jié)論

　　(1)設(shè)計(jì)了MPM 用微型化電子槍，并完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)仿真；

　　(2)進(jìn)行制管驗(yàn)證，結(jié)果表明電子槍的各個(gè)參數(shù)均已滿足整管需要；

　　(3)槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整管通過(guò)了20grms的極高強(qiáng)度的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；

　　(4)電子槍尺寸的小型化得到了進(jìn)一步的發(fā)展，為相控陣體制的MPM 研究打下了基礎(chǔ)。