W波段行波管栅控电子枪的设计与模拟

摘要

真空电子学是一门古老的学科，真空电子器件发展至今已有几十年历史。1943年第一支行波管研制成功，经过不断发展，如今行波管功率能够在连续波工作时达千瓦量级，脉冲波工作时达百兆瓦级，工作波长也发展到毫米波及亚毫米波段。军事电子工业以及军事装备的不断发展对行波管的研制提出了越来越高的要求。高频段、高功率、体积小、重量轻是现代行波管的发展方向。W波段行波管工作波长3毫米，工作频率75GHz—110GHz，是近几年国内研究的一种毫米波行波管管型。一把好的电子枪对于行波管的研制至关重要，其产生电子注的质量直接决定了行波管整管性能指标。在一些大功率行波管中阳极电压动辄上万伏，如此大的脉冲能量使得脉冲调制器负荷很大，以致脉冲电源会变得庞大而笨重，庞大笨重的脉冲电源限制了大功率行波管实现的机动性，同时限制了雷达的作用距离，栅控电子枪的应用解决了这一难题。
　　本文对传统皮尔斯电子枪、栅控电子枪进行了深入的理论研究，并设计了工作于W波段脉冲行波管的栅控电子枪。本论文工作总结如下：
　　首先研究了强流电子光学与弱流电子光学，基于强流电子光学我们深入分析了皮尔斯电子枪以及栅控电子枪理论，介绍了基础无栅枪设计的两种方法：传统皮尔斯法、现在常用的Vaughan综合迭代法。
　　其次运用Vaughan综合迭代法并依据栅控电子枪设计步骤设计了W波段栅控电子枪，得出其基本结构，然后将其基本结构参量代入到电子光学仿真软件ORION程序中对其进行模拟仿真，经过不断调整不断优化最终得出需要的栅控电子枪。同时还运用CST软件对ORION仿真结果进行了验证，这些都为栅控电子枪的加工提供了理论依据。
　　最后对设计好的栅控电子枪进行了加工，并装配至W波段行波管电子光学样管中进行了实验测试。

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第一章 绪论

1.1微波电真空器件的发展

1.2毫米波技术

1.3毫米波行波管电子光学系统概述

第二章 行波管电子枪基本理论

2.1电子枪概述

2.2强流电子光学与弱流电子光学

2.3阴极电子热初速对电子注的影响

2.4阳极孔的存在对电子注的影响

2.5小结

第三章 栅控电子枪设计

3.1传统皮尔斯电子枪研究

3.2栅控电子枪研究

3.3 W波段栅控电子枪设计

3.4栅控电子枪设计难点问题

第四章 W波段行波管栅控电子枪仿真与优化

4.1仿真软件简介

4.2 W波段栅控电子枪仿真

4.3 CST软件仿真栅控电子枪

4.4小结

第五章 实验测试

5.1电子枪零部件加工、装配

5.2电子注流通率测试原理

5.3测试结果

5.4小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果