栅控脉冲行波管抑制束流波动的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:亢飞

  对脉冲栅控行波管来说抑制束流的波动尤为重要。本文使用MTSS 分析了栅网参数和阳极参数对电子注参数的影响,设计了性能良好的脉冲栅控行波管电子枪。为了保证由电子枪提供的电子注能够较平稳地通过互作用区,通过Maxwell2D 设计了带开口磁钢的周期永磁聚焦系统,分析了等幅、增幅和幅值无规则变化三种过渡区磁场电子注波动分别随磁场起始位置的变化。结果表明采用增幅过渡区,通过优化磁场增幅以及磁场起始位置,能够有效地减小电子注波动,降低外层电子的离散,改善栅网的透镜效应带来的层流性差的问题。

  行波管是一种非常重要的、不可替代的微波真空电子器件,兼具宽频带和高增益的优点,在雷达、通信卫星、空间探测和电子对抗系统等领域具有广泛的应用,大多数卫星和深空通信系统的高功率放大器都采用的是行波管放大器。作为行波管电子光学系统的重要组成部分,电子枪产生电子注,磁聚焦系统对电子注进行聚焦,如何得到波动较小的电子注,使其能稳定的通过慢波结构,提高整管性能,是行波管研制的一个重要内容。

  脉冲栅控行波管采用栅极控制的方法,在栅网上加上脉冲电压来控制电子注的接通与关断,调制器可以做得很小,所以得到了广泛的应用。为了减少电子截获,在无栅枪的基础上加入采用同心球设计的阴影栅和控制栅,阴影栅和控制栅进行严格的对中,称为无截获栅控枪。理想情况下,栅网厚度和栅丝宽度均为零,且工作在自然电压,不会影响电子注层流性,但是实际上栅网有一定的厚度,栅丝也有一定的宽度,因此,不同于连续波行波管和采用阳极控制的行波管等,脉冲栅控行波管除了阳极膜孔效应、热初速效应、高频散焦之外,还存在栅网的透镜效应,栅网附近的等位线发生变化,形成复杂的电场,影响电子轨迹,从而使电子注层流性变差,影响比其他因素大得多,非常不利于电子注的聚焦和注-波互作用。因此,提高电子注的稳定性对栅控脉冲行波管来说尤为重要。

  本文通过微波管仿真软件MTSS 和磁场仿真软件Maxwell,对应用于X 波段脉冲栅控行波管的电子枪和周期永磁聚焦系统进行了优化设计,研究了过渡区磁场对束流稳定性的影响。

1、电子枪设计

  电子枪的性能会直接影响到行波管的效率、寿命和增益等指标,因此电子枪的设计是行波管设计的重要环节。电子枪的主要参数有导流系数、射程、注腰半径和层流性等,通过软件仿真可以观察电子注的运动轨迹,电子注轨迹交叉得越少,在一定程度上可以表明层流性越好。栅控电子枪的设计一般是在无栅枪的基础上加上栅网,Vaughan 在1981 年提出了综合迭代法,能够快速地确定无栅枪的初始尺寸,由电子注电压、电子注电流、注腰半径和发射电流密度就可以算出阴极半锥角、阴极圆盘半径、阴极曲率半径、阳极孔轴向距离、阳极孔半径和注腰位置等电子枪结构参数。栅网的设计主要是栅网的尺寸和位置,具体包括阴栅距离、栅网截止电压、屏蔽系数、网孔距离和栅丝半径的确定。

  通过栅网工作电压、无栅枪结构参数以及调制电压大小可以确定以上栅网参数,一般情况下采用正方形栅格进行近似来计算栅丝屏蔽系数,但是轮辐栅网的栅格并不是正方形,在栅丝数目较少时误差很大,因此建立球面模型来计算栅丝屏蔽系数和栅网截止放大系数。

  在设计电子枪的时候,需要在保证阴极电流的情况下,使得电子枪具有较远的射程和合适的注腰半径,这样更有利于进行磁聚焦。在MTSS 中进行建模,如图1 所示。考虑到阳极孔效应和栅网的影响,接下来分析了一些栅网参数和阳极参数对阴极电流、射程和注腰半径的影响,其中栅网参数包括栅网电压和径向栅丝直径,阳极参数包括阳极电压和阳极孔半径。

栅控电子枪模型

图1 栅控电子枪模型

2、结论

  对于脉冲栅控行波管的电子枪,通过适当地增大阳极电压和栅网电压、减小径向栅丝直径以及改变阳极孔半径,能在保证阴极电流的情况下,增大枪的射程,使电子枪具有合适的注腰半径和较好的层流性; 通过对等幅、增幅和幅值无规则变化三种过渡区磁场电子注波动分别随磁场起始位置的变化,以及增幅过渡区磁场差值大小不同对电子注波动的影响的分析,可以看出,采用增幅过渡区磁场有利于提高束流的稳定性,增幅不同时,对应有不同的磁场最佳起始位置,随着过渡区磁场的增大,最佳磁场起始位置逐渐靠近阴极,优化磁场峰值和磁场起始位置之后能够有效减小电子注波动,降低外层电子的离散。通过设置过渡区第一个磁场峰值为1. 7 倍的布里渊磁场,增幅为100 × 10 -4 T,互作用区磁场峰值为2.2 倍的布里渊磁场,磁场起始位置位于注腰位置后2.2 mm 处,在MTSS 中加入磁场文件,进行模拟仿真和计算,稳定后包含95% 电子的电子注波动百分比为13.4%。对于脉冲栅控行波管,设计性能良好的电子枪,选择增幅过渡区结构及对应的最佳磁场起始位置,能够有效地减小电子注波动,改善栅网的透镜效应带来的层流性差的问题,使电子注能较平稳地通过互作用区。

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