微型化四級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)

2013-05-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

孟曉君魏義學(xué) 馮玉連來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAD 微型化多級(jí)降壓收集極正向設(shè)計(jì)

介紹了一種微型化四級(jí)降壓收集極的CAD正向設(shè)計(jì)過(guò)程.實(shí)測(cè)表明:該四級(jí)降壓收集極的效率達(dá)到了75.3%以上,并具有良好的散熱能力. CAD結(jié)果與實(shí)測(cè)值相吻合。

提高行波管總效率有兩個(gè)途徑,一是提高電子效率,但由于工作原理的限制,電子效率不可能無(wú)限制地提高,倍頻程帶寬行波管的電子效率很難超越10%; 二是采用多級(jí)降壓收集極(MDC)技術(shù),MDC可明顯降低行波管的總功能,從而間接提高總效率,MDC 的低熱耗特性也為結(jié)構(gòu)尺寸的微型化提供了可能。

本文采用CAD技術(shù)完成了一種用于小型化行被管(Mini-TWTs)的微型化四級(jí)降壓收集極的正向設(shè)計(jì),包括電設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì),并實(shí)測(cè)了收集極效率和收集極表面的穩(wěn)態(tài)熱分布,證明了此正向設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的.與國(guó)內(nèi)慣用的反向設(shè)計(jì)方法相比正向設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)在于:MDC實(shí)體制造之前就可以借助于準(zhǔn)確度較高的CAD模型充分考察MDC的性能,從而可設(shè)計(jì)出效率盡量高、結(jié)構(gòu)尺寸盡量小而又能滿足環(huán)境要求的結(jié)構(gòu)模型,在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上可方便地生成用紙。MDC正向設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖1所示。

    1 四級(jí)降壓收集極電設(shè)計(jì)

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圖1 MDC正向設(shè)計(jì)流程圖

多級(jí)降壓收集極的電設(shè)計(jì)主要通過(guò)CAD完成,本文中的電設(shè)計(jì)CAD工具為T(mén)WTCAD4.1集成環(huán)境中的MDC模塊。對(duì)于四級(jí)降壓收集極而言,為了方便用戶的使用,四級(jí)MDC工作電壓的選取有一定的范圍,本四級(jí)降壓收集極工作點(diǎn)初步選擇范圍見(jiàn)表1 .

表1 四級(jí)降壓收集極工作點(diǎn)初步選擇范圍

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    1.1 四級(jí)降壓收集極電氣工作點(diǎn)選取

對(duì)于多級(jí)降壓收集極而言,各個(gè)內(nèi)收集極接收的電流隨行波管工作頻率和激勵(lì)功率的不同而變化.對(duì)于四級(jí)降壓收集極而言,為了方便用戶的使用,約定的收集極電壓一般都配置為表1給定的范圍內(nèi)。在靜態(tài)(行波管無(wú)激勵(lì)功率)情況下,電子注基本都被第三收集極接收;而動(dòng)態(tài)電子注則在不同內(nèi)收集極上產(chǎn)生明顯的電流分配.

    1.2 收集極內(nèi)裂面形狀設(shè)計(jì)

圖2為四級(jí)降壓收集極的工作原理圖.在四級(jí)降壓收集極中設(shè)置了一系列入口依次擴(kuò)大的內(nèi)收集極電極.速度離散的電子注進(jìn)人收集極區(qū)后,能量損失在eVcl 和eVc2之間的部分電子被電位最高的第一收集極C1接收,形成了第一收集極電流Ic1,同時(shí)回收了e(V0Vd)的能量, 能量損失在eVc1 和eVc2 之間的部分電子被電位稍低的第二收集極C2接收,形成了第二收集極電流Ic2.同時(shí)回收了e(V0Vc2)的能量p能量損失在eVc3和eVc4. 之間的部分電子被電位再稍低的第三收集極C3接收,形成了第三收集極電流Ic3 .同時(shí)回收了e(V0Vc3)的能量, 能量超過(guò)eVh的快電子被第四收集極C4接收,形成了第四收集極電流Ic4,同時(shí)回收了eV0的能量.

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圖2 四級(jí)降壓收集極原理示意圖

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圖3 內(nèi)收集形狀設(shè)計(jì)示意圖

(l)收集極內(nèi)表面形狀的確定

收集極內(nèi)表面形狀設(shè)計(jì)考慮了兩個(gè)方面:①減小二次電子對(duì)效率的影響.內(nèi)收集極在高能電子的轟擊下會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的二次電子發(fā)射,這些二次電子會(huì)向高電位區(qū)轉(zhuǎn)移而降低收集極的效率;②抑制電子注向高頻段的返流.圖3給出了設(shè)計(jì)的內(nèi)收集極(圖中給出了一些代表性的二次電子轉(zhuǎn)移情況) .在各個(gè)內(nèi)收集極的人口設(shè)置了擋板,用于阻止或弱化二次電子向高電位電極轉(zhuǎn)移及電子注的返流。第四收集極設(shè)計(jì)為釘子形狀,其作用主要在于縮短收集極的整體長(zhǎng)度.內(nèi)收集極最終形狀的確定一般都借助于CAD工具優(yōu)化完成.

    (2) 內(nèi)收集極基本尺寸確定

內(nèi)收集極的尺寸從收集極整體尺寸限制和內(nèi)收集極熱耗散能力兩方面考慮確定.在滿足整體尺寸限制的條件下,為減小二次電子的影響和返流,內(nèi)收集極的橫向尺寸越大越好;在傳導(dǎo)散熱條件下,無(wú)氧銅材料的內(nèi)收集極內(nèi)表面的平均熱耗散能力可取為100 W/cm2.依據(jù)各個(gè)內(nèi)收集極可能產(chǎn)生的最大熱耗,本收集極的基本尺寸取為:內(nèi)收集極內(nèi)徑為10mm,第三收集極的內(nèi)表面積(散熱區(qū)域)大于1.5cm2,第二收集極內(nèi)表面積大于1.2cm2, 第一收集極內(nèi)表面積大于1cm2, 第四收集極的電流只是在飽和激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生,收流比非常小(不超過(guò)2%),由于該極的電位為陰極電位,因此產(chǎn)生的熱量非常少,可以不考慮散熱表面積的設(shè)計(jì)限制.

    (3)電極形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

電極形狀優(yōu)化CAD設(shè)計(jì)流程如圖4所示,首先進(jìn)行高頻互作用大信號(hào)仿真,得到失能電子注離開(kāi)慢波結(jié)構(gòu)時(shí)的電子注狀態(tài)文件,以該文件作為收

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圖4 MDC的優(yōu)化流程圖

集極仿真的輸入文件,再借助于專門(mén)的收集極CAD仿真工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).圖中的collector2,colleetor, collectorO 是高、中、低三個(gè)頻點(diǎn)的RF出口處的電子注狀態(tài)文件,它們來(lái)源于TWTCAD4.1的互作用模塊.優(yōu)化過(guò)程實(shí)質(zhì)是通過(guò)枚舉遍歷算法對(duì)不同MDC尺寸、工作電壓的多個(gè)組合進(jìn)行仿真計(jì)算,直至滿足優(yōu)化目標(biāo).

    1.3 內(nèi)收集極優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后確定各級(jí)電壓: Vc1為2100V,Vc2為1700V,V<c3為1100V,Vc4 為0V. 優(yōu)化后的電極形狀見(jiàn)圖5.圖6和表2給出了采用TWTCAD4.1收集極模塊優(yōu)化的靜態(tài),頻率為6,1 2,18GHz飽和狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)電子軌跡和設(shè)計(jì)結(jié)果.結(jié)果表明:各收集

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圖5 優(yōu)化后MDC的電極形狀

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圖6 靜態(tài)和f為6,12,18GHz飽和時(shí)收集極中電子運(yùn)動(dòng)軌跡

極的工作電壓滿足指標(biāo)要求:各收集極電流分配合理;圖中設(shè)置了合理的SBR(失能電子注再聚焦區(qū));人口及入口檔板設(shè)置合理;動(dòng)態(tài)效率達(dá)到了77%以上,返流抑制較好,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo).

表2 設(shè)計(jì)結(jié)果

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    2 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)
    本文結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)CAD工具選用ANSYS軟件.熱設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖7所示。

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圖7 ANSYS熱仿真流程圖

假定:熱量?jī)H通過(guò)傳導(dǎo)方式在收集極各個(gè)零件之間傳導(dǎo).不考慮對(duì)流和輻射,分析類型為熱穩(wěn)態(tài)分析.熱荷載的施加:根據(jù)電子注著陸分布文件而計(jì)算出的收集極內(nèi)表面的熱流密度分布。是終結(jié)構(gòu)的熱仿真結(jié)果見(jiàn)圖8所示。圖8表示環(huán)境溫度21 °c時(shí),靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作(f= 12GHz,飽和〉收集極溫度穩(wěn)態(tài)分布.表3為結(jié)果分析,給出了收集極材料的熱裕量,其大小直接反映了收集極的熱能散能力在給定的散熱條件下的安全余量.仿真結(jié)果表明:收集極在21°c冷板傳導(dǎo)散熱條件下,靜態(tài)工作的熱余量為96.2°c,動(dòng)態(tài)、飽和工作時(shí)熱余量為129.5°C.由于熱傳導(dǎo)為線性變化,故冷板為70°c時(shí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱余量分別為47.2,80.5°C,滿足了收集極在極端熱環(huán)境溫度下的穩(wěn)定性要求.

    3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證與結(jié)論

測(cè)試時(shí),施加的收集極工作點(diǎn)與CAD仿真值一致.實(shí)測(cè)的行被管飽和工作時(shí)的收集極電氣參數(shù)見(jiàn)圖9所示,傳導(dǎo)散熱條件下收集極表面穩(wěn)態(tài)熱分布見(jiàn)圖10所示.在行波管工作頻帶內(nèi)收集飯的動(dòng)態(tài)效率達(dá)到了75.3%~77.2%.回流率小于2%,散熱冷板的溫度為21°C,收集極座表面最高溫度靜態(tài)83.3°C. 動(dòng)態(tài)69.2°c .收集極工作穩(wěn)定.從仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比〈表的中可看出,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合性較好. 驗(yàn)證了MDC 的正向設(shè)計(jì)方法是可行的。

測(cè)試時(shí),施加的收集極工作點(diǎn)與CAD 仿真值一致。實(shí)測(cè)的行波管飽和工作時(shí)的收集極電氣參數(shù)見(jiàn)圖9所示,傳導(dǎo)散熱條件下收集極表面穩(wěn)態(tài)熱分布見(jiàn)圖10所示.在行波管工作頻帶內(nèi)收集極的動(dòng)態(tài)效率達(dá)到了75.3% ~77.2%. 回流率小于2%; 散熱冷板的溫度為21°C.收集極座表面最高溫度靜態(tài)83.3°c .動(dòng)態(tài)69.2°C.收集極工作穩(wěn)定.從仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比(表的中可看出,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合性較好,驗(yàn)證了MDC的正向設(shè)計(jì)方法是可行的。

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