對(duì)脈沖柵控行波管來說抑制束流的波動(dòng)尤為重要。本文使用MTSS 分析了柵網(wǎng)參數(shù)和陽(yáng)極參數(shù)對(duì)電子注參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)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(wěn)地通過互作用區(qū)，通過Maxwell2D 設(shè)計(jì)了帶開口磁鋼的周期永磁聚焦系統(tǒng)，分析了等幅、增幅和幅值無規(guī)則變化三種過渡區(qū)磁場(chǎng)電子注波動(dòng)分別隨磁場(chǎng)起始位置的變化。結(jié)果表明采用增幅過渡區(qū)，通過優(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(yīng)帶來的層流性差的問題。

　　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(dá)、通信衛(wèi)星、空間探測(cè)和電子對(duì)抗系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)衛(wèi)星和深空通信系統(tǒng)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(tǒng)的重要組成部分，電子槍產(chǎn)生電子注，磁聚焦系統(tǒng)對(duì)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(wěn)定的通過慢波結(jié)構(gòu)，提高整管性能，是行波管研制的一個(gè)重要內(nèi)容。

　　脈沖柵控行波管采用柵極控制的方法，在柵網(wǎng)上加上脈沖電壓來控制電子注的接通與關(guān)斷，調(diào)制器可以做得很小，所以得到了廣泛的應(yīng)用。為了減少電子截獲，在無柵槍的基礎(chǔ)上加入采用同心球設(shè)計(jì)的陰影柵和控制柵，陰影柵和控制柵進(jìn)行嚴(yán)格的對(duì)中，稱為無截獲柵控槍。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(xù)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(yīng)、熱初速效應(yīng)、高頻散焦之外，還存在柵網(wǎng)的透鏡效應(yīng)，柵網(wǎng)附近的等位線發(fā)生變化，形成復(fù)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(wěn)定性對(duì)柵控脈沖行波管來說尤為重要。

　　本文通過微波管仿真軟件MTSS 和磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell，對(duì)應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了過渡區(qū)磁場(chǎng)對(duì)束流穩(wěn)定性的影響。

1、電子槍設(shè)計(jì)

　　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(biāo)，因此電子槍的設(shè)計(jì)是行波管設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。電子槍的主要參數(shù)有導(dǎo)流系數(shù)、射程、注腰半徑和層流性等，通過軟件仿真可以觀察電子注的運(yùn)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(shè)計(jì)一般是在無柵槍的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)參數(shù)。柵網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(shù)、網(wǎng)孔距離和柵絲半徑的確定。

　　通過柵網(wǎng)工作電壓、無柵槍結(jié)構(gòu)參數(shù)以及調(diào)制電壓大小可以確定以上柵網(wǎng)參數(shù)，一般情況下采用正方形柵格進(jìn)行近似來計(jì)算柵絲屏蔽系數(shù)，但是輪輻柵網(wǎng)的柵格并不是正方形，在柵絲數(shù)目較少時(shí)誤差很大，因此建立球面模型來計(jì)算柵絲屏蔽系數(shù)和柵網(wǎng)截止放大系數(shù)。

　　在設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(yīng)和柵網(wǎng)的影響，接下來分析了一些柵網(wǎng)參數(shù)和陽(yáng)極參數(shù)對(duì)陰極電流、射程和注腰半徑的影響，其中柵網(wǎng)參數(shù)包括柵網(wǎng)電壓和徑向柵絲直徑，陽(yáng)極參數(shù)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(jié)論

　　對(duì)于脈沖柵控行波管的電子槍，通過適當(dāng)?shù)卦龃箨?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; 通過對(duì)等幅、增幅和幅值無規(guī)則變化三種過渡區(qū)磁場(chǎng)電子注波動(dòng)分別隨磁場(chǎng)起始位置的變化，以及增幅過渡區(qū)磁場(chǎng)差值大小不同對(duì)電子注波動(dòng)的影響的分析，可以看出，采用增幅過渡區(qū)磁場(chǎng)有利于提高束流的穩(wěn)定性，增幅不同時(shí)，對(duì)應(yīng)有不同的磁場(chǎng)最佳起始位置，隨著過渡區(qū)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。通過設(shè)置過渡區(qū)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(qū)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(jì)算，穩(wěn)定后包含95% 電子的電子注波動(dòng)百分比為13.4%。對(duì)于脈沖柵控行波管，設(shè)計(jì)性能良好的電子槍，選擇增幅過渡區(qū)結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)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(yīng)帶來的層流性差的問題，使電子注能較平穩(wěn)地通過互作用區(qū)。