對脈沖柵控行波管來說抑制束流的波動尤為重要。本文使用MTSS 分析了柵網(wǎng)參數(shù)和陽極參數(shù)對電子注參數(shù)的影響，設(shè)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(wěn)地通過互作用區(qū)，通過Maxwell2D 設(shè)計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)磁場電子注波動分別隨磁場起始位置的變化。結(jié)果表明采用增幅過渡區(qū)，通過優(yōu)化磁場增幅以及磁場起始位置，能夠有效地減小電子注波動，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，在雷達、通信衛(wèi)星、空間探測和電子對抗系統(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)對電子注進行聚焦，如何得到波動較小的電子注，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)計的陰影柵和控制柵，陰影柵和控制柵進行嚴格的對中，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，不會影響電子注層流性，但是實際上柵網(wǎng)有一定的厚度，柵絲也有一定的寬度，因此，不同于連續(xù)波行波管和采用陽極控制的行波管等，脈沖柵控行波管除了陽極膜孔效應(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，形成復雜的電場，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 和磁場仿真軟件Maxwell，對應(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)進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了過渡區(qū)磁場對束流穩(wěn)定性的影響。

1、電子槍設(shè)計

　　電子槍的性能會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(shè)計是行波管設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。電子槍的主要參數(shù)有導流系數(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動軌跡，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、陽極孔軸向距離、陽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行近似來計算柵絲屏蔽系數(shù)，但是輪輻柵網(wǎng)的柵格并不是正方形，在柵絲數(shù)目較少時誤差很大，因此建立球面模型來計算柵絲屏蔽系數(shù)和柵網(wǎng)截止放大系數(shù)。

　　在設(shè)計電子槍的時候，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，這樣更有利于進行磁聚焦。在MTSS 中進行建模，如圖1 所示。考慮到陽極孔效應(yīng)和柵網(wǎng)的影響，接下來分析了一些柵網(wǎng)參數(shù)和陽極參數(shù)對陰極電流、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，陽極參數(shù)包括陽極電壓和陽極孔半徑。

圖1 柵控電子槍模型

2、結(jié)論

　　對于脈沖柵控行波管的電子槍，通過適當?shù)卦龃箨枠O電壓和柵網(wǎng)電壓、減小徑向柵絲直徑以及改變陽極孔半徑，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; 通過對等幅、增幅和幅值無規(guī)則變化三種過渡區(qū)磁場電子注波動分別隨磁場起始位置的變化，以及增幅過渡區(qū)磁場差值大小不同對電子注波動的影響的分析，可以看出，采用增幅過渡區(qū)磁場有利于提高束流的穩(wěn)定性，增幅不同時，對應(yīng)有不同的磁場最佳起始位置，隨著過渡區(qū)磁場的增大，最佳磁場起始位置逐漸靠近陰極，優(yōu)化磁場峰值和磁場起始位置之后能夠有效減小電子注波動，降低外層電子的離散。通過設(shè)置過渡區(qū)第一個磁場峰值為1. 7 倍的布里淵磁場，增幅為100 × 10 ^-4 T，互作用區(qū)磁場峰值為2.2 倍的布里淵磁場，磁場起始位置位于注腰位置后2.2 mm 處，在MTSS 中加入磁場文件，進行模擬仿真和計算，穩(wěn)定后包含95% 電子的電子注波動百分比為13.4%。對于脈沖柵控行波管，設(shè)計性能良好的電子槍，選擇增幅過渡區(qū)結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的最佳磁場起始位置，能夠有效地減小電子注波動，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)。