一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，包括内筒和套设于内筒外部的阳极外筒，所述内筒和阳极外筒之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和第一同轴输出波导，所述阳极外筒的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导，所述第一同轴输出波导和第二同轴输出波导同轴设置，所述第二调制腔还和第二同轴输出波导连通，所述K波段渡越时间振荡器关于内筒的中心轴线旋转对称。本发明专利技术验证了末前腔提取微波的可行性，在实现了较高效率输出的同时，也实现了更高功率输出。实现了更高功率输出。实现了更高功率输出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器


[0001]本专利技术涉及高功率微波
的微波源器件，尤其涉及一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器。

技术介绍

[0002]高功率微波(High Power Microwave,HPM)通常的定义是峰值功率超过100MW，波长在1mm～1m(即频率在300MHz～300GHz)之间的电磁波。上世纪七十年代，脉冲功率技术迅速发展，数百千伏电压和数十千安电流的强流相对论电子束得以产生，将其应用于传统真空电子微波器件，使得产生功率超过百兆瓦的HPM成为可能。同时在相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入研究，为HPM的产生提供了理论支撑。
[0003]高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。
[0004]K波段是指频率在18～26GHz(相应的波长为11.54～16.67mm)这一频段中的电磁波，属于毫米波范畴。相对于低频段微波，K波段微波具有频谱范围宽、波束窄、直线传播、全天候工作、辐射天线增益高等优点，目前已经被广泛用于通讯、雷达、遥感等众多领域。因此发展K波段高功率微波技术是十分有前景的。但是目前研究的波段主要集中在L、S、C、X、Ku、Ka等频段，而关于K波段的公开成果则鲜有报道。
[0005]在毫米波段，器件内部作用空间较小，功率容量有限，从而限制了这些传统的微波管在高功率毫米波段内的应用。因此提高输出效率的同时，增大高频段器件的功率容量成为了亟待解决的问题。同轴渡越时间振荡器由于引入了内导体，提高了电子束势能，增大了器件的功率容量；且同轴结构还具有同时等距地增大内外导体半径，保持器件特性不变的特点，被广泛的用在高频段器件中。例如，目前公开了一种C波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器，参见现有技术1：【邓如金.C波段低磁场高效率同轴高功率微波振荡器研究[D].长沙：国防科技大学，2021】。其结构如图1所示，由环形阴极101、第一调制腔102、漂移段103、第二级调制腔104、单间隙内提取腔105、收集极106、同轴输出波导107和磁场108组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过引入两级调制结构实现基波电流的深度调制。为了便于收集极的冷却，采用内提取的方式输出微波，最终在二极管电压600kV，电流15kA，外加导引磁场0.5T的条件下，实现了3.65GW的微波输出，频率4.31GHz，效率40％。可以看到该结构输出效率很高，但应用频段比较低。
[0006]另外现有的高频段同轴渡越时间振荡器虽然输出效率已经很高，但输出功率往往偏低。例如，目前已进行了Ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究，参见现有技术2：【宋莉莉.Ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究[D].长沙：国防科技大学，2018】。该结构如图2所示，由环形阴极201、前置反射腔202、调制腔203、漂移段204、提取腔205、同轴输出波导206和磁场207组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过四间隙调制腔提高基波电
流调制深度，然后采用单间隙提取腔提取微波，最终在447kV，7.4kA，导引磁场0.6T的条件下，实现了1.27GW的微波输出，效率为38.5％，输出微波频率26.2GHz。可以看到该器件虽然输出频率高，但输出功率、效率仍有提升空间。而输出功率偏高的器件，实验可行性却很小。此外，目前也已经进行了紧凑轻小型Ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究，参见现有技术3：【徐伟力.紧凑轻小型Ku波段长脉冲渡越时间振荡器研究[D].长沙：国防科技大学，2020】。该结构如图3所示，由环形阴极301、前置反射器302、调制腔303、漂移段304、提取腔305、弯曲收集极306和同轴输出波导307组成，整个器件关于中心旋转对称。该结构通过轴向渐变弯曲的方式，结合了轴向易于实现与径向功率容量大的特点，实现了在电压620kV，电流13.3kA，外加导引磁场1T的条件下，输出功率3.37GW，微波频率12.43GHz，效率为41％。可见该器件输出功率、效率都很高，但实验加工难度大。
[0007]目前关于同时实现高转换效率、高输出功率、易于加工的高频段同轴渡越时间振荡器技术方案尚未有公开报道。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，克服高频段下实现高效率输出的同时，提取腔输出功率受限的问题。通过采用矩形腔+梯形腔级联的两级调制结构实现基波电流调制深度的增大，从而提高输出效率；在常规的集中式能量提取方式的基础上，通过在第二级调制腔(下文称为末前腔)开口提取微波，实现高输出功率的同时，提取腔功率容量的增加。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0010]一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，包括内筒和套设于内筒外部的阳极外筒，所述内筒和阳极外筒之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管、第一调制腔、第二漂移管、第二调制腔、第三漂移管、提取腔和第一同轴输出波导，所述阳极外筒的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导，所述第一同轴输出波导和第二同轴输出波导同轴设置，所述第二调制腔还和第二同轴输出波导连通，所述K波段渡越时间振荡器关于内筒的中心轴线旋转对称。
[0011]进一步的，所述第一调制腔由设置于阳极外筒内壁的第一调制腔外腔，设置于内筒外壁的第一调制腔内腔，以及第一调制腔外腔与第一调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔相对布置，且所述第一调制腔外腔与第一调制腔内腔均由沿轴向间隙设置的相同圆环形空腔组成，且所述圆环形空腔的横截面为矩形。
[0012]进一步的，所述第二调制腔由设置于阳极外筒内壁的第二调制腔外腔，设置于内筒外壁的第二调制腔内腔，以及第二调制腔外腔与第二调制腔内腔之间的环形空间组成，所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔相对布置，且所述第二调制腔外腔与第二调制腔内腔均为横截面为梯形的圆环形空腔，所述第二调制腔外腔与第二同轴输出波导的输入端连通。
[0013]进一步的，所述第二同轴输出波导包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段和第二输出波导天线连接段，所述第二输出波导矩形过渡段与第二调制腔外腔连通。
[0014]进一步的，所述提取腔包括沿轴线方向依次连通的第一间隙、第二间隙和第三间隙，所述第一间隙、第二间隙和第三间隙均由设置于阳极外筒内壁的提取腔外腔的对应圆
环形空腔，设置于内筒外壁的提取腔内腔的对应圆环形空腔，以及对应的两个圆环形空腔之间的环形空间组成，所述提取腔外腔中第三间隙对应的圆环形空腔与第一同轴输出波导的输入端连通。
[0015]进一步的，所述第一同轴输出波导包括依次连通的第一输出波导耦合狭缝、第一输出波导锥形过渡段、第一输出波导天线连接段，所述第一输出波导耦合狭缝与提取腔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，其特征在于，包括内筒(404)和套设于内筒(404)外部的阳极外筒(403)，所述内筒(404)和阳极外筒(403)之间形成圆环形的空腔，所述空腔包括依次连通的第一漂移管(405)、第一调制腔(406)、第二漂移管(407)、第二调制腔(408)、第三漂移管(409)、提取腔(410)和第一同轴输出波导(412)，所述阳极外筒(403)的输出端还设有圆环形的第二同轴输出波导(413)，所述第一同轴输出波导(412)和第二同轴输出波导(413)同轴设置，所述第二调制腔(408)还和第二同轴输出波导(413)连通，所述K波段渡越时间振荡器关于内筒(404)的中心轴线旋转对称。2.根据权利要求1所述的基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第一调制腔(406)由设置于阳极外筒(403)内壁的第一调制腔外腔(406a)，设置于内筒(404)外壁的第一调制腔内腔(406b)，以及第一调制腔外腔(406a)与第一调制腔内腔(406b)之间的环形空间组成，所述第一调制腔外腔(406a)与第一调制腔内腔(406b)相对布置，且所述第一调制腔外腔(406a)与第一调制腔内腔(406b)均由沿轴向间隙设置的相同圆环形空腔组成，且所述圆环形空腔的横截面为矩形。3.根据权利要求1所述的基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第二调制腔(408)由设置于阳极外筒(403)内壁的第二调制腔外腔(408a)，设置于内筒(404)外壁的第二调制腔内腔(408b)，以及第二调制腔外腔(408a)与第二调制腔内腔(408b)之间的环形空间组成，所述第二调制腔外腔(408a)与第二调制腔内腔(408b)相对布置，且所述第二调制腔外腔(408a)与第二调制腔内腔(408b)均为横截面为梯形的圆环形空腔，所述第二调制腔外腔(408a)与第二同轴输出波导(413)的输入端连通。4.根据权利要求3所述的基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述第二同轴输出波导(413)包括依次连通的第二输出波导矩形过渡段(413a)和第二输出波导天线连接段(413b)，所述第二输出波导矩形过渡段(413a)与第二调制腔外腔(408a)连通。5.根据权利要求1所述的基于末前腔提取结构的K波段渡越时间振荡器，其特征在于，所述提取腔(410)包括沿轴线方向依次连通的第一间隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：张威，于状，巨金川，葛行军，张强，党方超，周云霄，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：