论文部分内容阅读
行波管作为一种有着几十年发展历史的微波毫米波电真空放大器件，具有宽频带、高效率、高增益及小体积等一系列优点，广泛应用于卫星通信、电子对抗、雷达及导航等领域。行波管的性能很大程度上决定于电子枪产生的电子注。本论文通过理论与实验相结合，开展了一系列行波管电子枪及电子注的研究，主要工作如下: (1)开发了一个行波管电子枪二维有限元仿真设计软件。研究了电子枪二维CAD软件的理论模型，包括有限元网格划分，电磁场分布的求解，综合结构因素、空间电荷效应、热初速效应和肖特基效应的电子发射模型的计算，以及强流电子光学方程组的迭代计算。利用MATLAB矩阵运算和GUI控件开发了“行波管电子枪二维有限元仿真设计软件TGSD”。通过应用不同软件分别仿真L波段行波管双阳极电子枪、宽带行波管电子枪和K波段行波管电子枪，验证TGSD的有效性，并将仿真结果与实验结果做了对比分析。 (2)研制了测量分析行波管电子注电流密度分布的法拉第筒。设计的法拉第筒由一个石墨收集极、绝缘陶瓷管、外筒、连接头、端帽和0.06mm厚的钼小孔栅片组成。该探头结构简单、组装便捷，能够承受电子注重复轰击，具备耐高温、快速响应、低损耗以及良好的导热性能等各种特点，满足测量电子注截面电流密度分布的要求，并可以适应不同电子注的测量需要。 (3)研制了测量分析注波互作用后电子注的纵向速度分布的减速场能量分析器。基于法拉第筒扫描电子注截面的方法，设计的能量分析器由小孔栅片、外筒、减速栅网和收集极组成，通过给栅网设置负偏压，扫描电子注截面，获取不同负偏压下的电流密度分布和电流值，即得到电子注的纵向速度分布。该分析器具有结构简单、安装简便和较高的分辨率等特点，满足测量分析互作用后电子注的纵向速度分布的要求。 (4)基于热分析理论，提出了应用单脉冲测量电子注的技术和方法。指出在一定宽度的脉冲内，阴极已经稳定发射，单脉冲的电子注足以代表真实的连续的电子注;电子在高频电路中的渡越时间只有几纳秒，微秒级别的脉冲包含数千个渡越周期，单脉冲电子注足以与高频信号发生有效的互作用。所以，单个脉冲就可以满足测量分析电子注电流密度分布和纵向速度分布的需要。在电子注扫描截面的每一个节点上，计算机控制脉冲电源触发电子枪只发射出一个脉冲的电子注。一个扫描节点只有一个脉冲，可以有效地解决连续电子轰击探头产生的热问题;同时探头采集整个单脉冲信号，只采用代表阴极稳定发射的脉冲中间部分数据，消除脉冲前后沿振荡的影响;另外，单个脉冲数据存储和操作处理都简单。 (5)研制了一套行波管电子注测量分析系统。设计了系统整体方案，包括系统结构、操作、测量方法、信号采集方法和电子注分析程序等。基于单脉冲测量方法，利用法拉第筒和减速场能量分析器来测量电子枪电子注的截面电流密度分布和注波互作用后电子注的纵向速度分布。该系统采用立式结构，由一个特制的真空室，一个高精度X，Y，Z三维移动平台，数据采集和控制系统，以及测试电源组成，空间分辨率为0.5μm。 (6)测量分析了L波段行波管双阳极电子枪、宽带行波管电子枪和K波段行波管电子枪发出的电子注的电流密度分布，及K波段空间行波管注波互作用后电子注的纵向速度分布。实现电子枪和行波管在电子注测量分析系统中的安装、检测和实验，测量了电子枪电子注的电流密度分布和轨迹包络分布，同时分析了K波段空间行波管收集极入口处静态和动态的电子注电流密度分布，进而获得互作用后电子注的纵向速度分布，并将各个实验结果与仿真结果作对比分析。 (7)进行了行波管电子注电流密度分布和轨迹包络分布分析。研究了电子的热初速效应、电流密度分布和阳极膜孔效应，采用新的拟合公式计算阳极膜孔效应修正系数，由此得到皮尔斯电子枪电子注的电流密度分布和轨迹包络方程，然后与实验结果进行了对比分析。指出对于现有的各型电子枪电子注的电流密度分布和轨迹包络分布，理论结果和实验结果之间存在一定差异，理论分析可以为电子枪设计提供参考作用。