柵控脈沖行波管抑制束流波動(dòng)的研究
對脈沖柵控行波管來(lái)說(shuō)抑制束流的波動(dòng)尤為重要。本文使用MTSS 分析了柵網(wǎng)參數和陽(yáng)極參數對電子注參數的影響，設計了性能良好的脈沖柵控行波管電子槍。為了保證由電子槍提供的電子注能夠較平穩地通過(guò)互作用區，通過(guò)Maxwell2D 設計了帶開(kāi)口磁鋼的周期永磁聚焦系統，分析了等幅、增幅和幅值無(wú)規則變化三種過(guò)渡區磁場(chǎng)電子注波動(dòng)分別隨磁場(chǎng)起始位置的變化。結果表明采用增幅過(guò)渡區，通過(guò)優(yōu)化磁場(chǎng)增幅以及磁場(chǎng)起始位置，能夠有效地減小電子注波動(dòng)，降低外層電子的離散，改善柵網(wǎng)的透鏡效應帶來(lái)的層流性差的問(wèn)題。
行波管是一種非常重要的、不可替代的微波真空電子器件，兼具寬頻帶和高增益的優(yōu)點(diǎn)，在雷達、通信衛星、空間探測和電子對抗系統等領(lǐng)域具有廣泛的應用，大多數衛星和深空通信系統的高功率放大器都采用的是行波管放大器。作為行波管電子光學(xué)系統的重要組成部分，電子槍產(chǎn)生電子注，磁聚焦系統對電子注進(jìn)行聚焦，如何得到波動(dòng)較小的電子注，使其能穩定的通過(guò)慢波結構，提高整管性能，是行波管研制的一個(gè)重要內容。
脈沖柵控行波管采用柵極控制的方法，在柵網(wǎng)上加上脈沖電壓來(lái)控制電子注的接通與關(guān)斷，調制器可以做得很小，所以得到了廣泛的應用。為了減少電子截獲，在無(wú)柵槍的基礎上加入采用同心球設計的陰影柵和控制柵，陰影柵和控制柵進(jìn)行嚴格的對中，稱(chēng)為無(wú)截獲柵控槍。理想情況下，柵網(wǎng)厚度和柵絲寬度均為零，且工作在自然電壓，不會(huì )影響電子注層流性，但是實(shí)際上柵網(wǎng)有一定的厚度，柵絲也有一定的寬度，因此，不同于連續波行波管和采用陽(yáng)極控制的行波管等，脈沖柵控行波管除了陽(yáng)極膜孔效應、熱初速效應、高頻散焦之外，還存在柵網(wǎng)的透鏡效應，柵網(wǎng)附近的等位線(xiàn)發(fā)生變化，形成復雜的電場(chǎng)，影響電子軌跡，從而使電子注層流性變差，影響比其他因素大得多，非常不利于電子注的聚焦和注-波互作用。因此，提高電子注的穩定性對柵控脈沖行波管來(lái)說(shuō)尤為重要。
本文通過(guò)微波管仿真軟件MTSS 和磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell，對應用于X 波段脈沖柵控行波管的電子槍和周期永磁聚焦系統進(jìn)行了優(yōu)化設計，研究了過(guò)渡區磁場(chǎng)對束流穩定性的影響。
1、電子槍設計
電子槍的性能會(huì )直接影響到行波管的效率、壽命和增益等指標，因此電子槍的設計是行波管設計的重要環(huán)節。電子槍的主要參數有導流系數、射程、注腰半徑和層流性等，通過(guò)軟件仿真可以觀(guān)察電子注的運動(dòng)軌跡，電子注軌跡交叉得越少，在一定程度上可以表明層流性越好。柵控電子槍的設計一般是在無(wú)柵槍的基礎上加上柵網(wǎng)，Vaughan 在1981 年提出了綜合迭代法，能夠快速地確定無(wú)柵槍的初始尺寸，由電子注電壓、電子注電流、注腰半徑和發(fā)射電流密度就可以算出陰極半錐角、陰極圓盤(pán)半徑、陰極曲率半徑、陽(yáng)極孔軸向距離、陽(yáng)極孔半徑和注腰位置等電子槍結構參數。柵網(wǎng)的設計主要是柵網(wǎng)的尺寸和位置，具體包括陰柵距離、柵網(wǎng)截止電壓、屏蔽系數、網(wǎng)孔距離和柵絲半徑的確定。
通過(guò)柵網(wǎng)工作電壓、無(wú)柵槍結構參數以及調制電壓大小可以確定以上柵網(wǎng)參數，一般情況下采用正方形柵格進(jìn)行近似來(lái)計算柵絲屏蔽系數，但是輪輻柵網(wǎng)的柵格并不是正方形，在柵絲數目較少時(shí)誤差很大，因此建立球面模型來(lái)計算柵絲屏蔽系數和柵網(wǎng)截止放大系數。
在設計電子槍的時(shí)候，需要在保證陰極電流的情況下，使得電子槍具有較遠的射程和合適的注腰半徑，這樣更有利于進(jìn)行磁聚焦。在MTSS 中進(jìn)行建模，如圖1 所示�？紤]到陽(yáng)極孔效應和柵網(wǎng)的影響，接下來(lái)分析了一些柵網(wǎng)參數和陽(yáng)極參數對陰極電流、射程和注腰半徑的影響，其中柵網(wǎng)參數包括柵網(wǎng)電壓和徑向柵絲直徑，陽(yáng)極參數包括陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極孔半徑。
圖1 柵控電子槍模型
2、結論
對于脈沖柵控行波管的電子槍?zhuān)ㄟ^(guò)適當地增大陽(yáng)極電壓和柵網(wǎng)電壓、減小徑向柵絲直徑以及改變陽(yáng)極孔半徑，能在保證陰極電流的情況下，增大槍的射程，使電子槍具有合適的注腰半徑和較好的層流性; 通過(guò)對等幅、增幅和幅值無(wú)規則變化三種過(guò)渡區磁場(chǎng)電子注波動(dòng)分別隨磁場(chǎng)起始位置的變化，以及增幅過(guò)渡區磁場(chǎng)差值大小不同對電子注波動(dòng)的影響的分析，可以看出，采用增幅過(guò)渡區磁場(chǎng)有利于提高束流的穩定性，增幅不同時(shí)，對應有不同的磁場(chǎng)最佳起始位置，隨著(zhù)過(guò)渡區磁場(chǎng)的增大，最佳磁場(chǎng)起始位置逐漸靠近陰極，優(yōu)化磁場(chǎng)峰值和磁場(chǎng)起始位置之后能夠有效減小電子注波動(dòng)，降低外層電子的離散。通過(guò)設置過(guò)渡區第一個(gè)磁場(chǎng)峰值為1. 7 倍的布里淵磁場(chǎng)，增幅為100 × 10 -4 T，互作用區磁場(chǎng)峰值為2.2 倍的布里淵磁場(chǎng)，磁場(chǎng)起始位置位于注腰位置后2.2 mm 處，在MTSS 中加入磁場(chǎng)文件，進(jìn)行模擬仿真和計算，穩定后包含95% 電子的電子注波動(dòng)百分比為13.4%。對于脈沖柵控行波管，設計性能良好的電子槍?zhuān)x擇增幅過(guò)渡區結構及對應的最佳磁場(chǎng)起始位置，能夠有效地減小電子注波動(dòng)，改善柵網(wǎng)的透鏡效應帶來(lái)的層流性差的問(wèn)題，使電子注能較平穩地通過(guò)互作用區。
