CN103137399A

CN103137399A - 同轴提取长脉冲相对论返波振荡器

Info

Publication number: CN103137399A
Application number: CN2013100399002A
Authority: CN
Inventors: 葛行军; 张军; 靳振兴; 樊玉伟; 贺军涛; 杨建华; 钟辉煌; 张建德
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: CN103137399B

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，提供一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导、螺线管磁场、同轴提取结构和前置反射腔。同轴提取结构为圆柱体，前置反射腔设置在截止颈慢波结构之间。本发明采用圆柱体作为同轴提取结构，既能克服带凹槽的同轴提取结构产生等离子体，同时具备对电磁波模式进行转换的功能，便于安装实现。采用前置反射腔来取代截止颈，能够利用前置反射腔本身的谐振特性，达到截止颈的效果，避免电子束刮擦或轰击前置反射腔，还可以对从阴极发射的电子束进行预调制，有利于随后的束波相互作用，提高器件功率转换效率。

Description

同轴提取长脉冲相对论返波振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator)。

背景技术

近年来，高功率微波（通常指峰值功率大于100MW、频率在1~300GHz之间的电磁波）在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等。

作为高功率微波系统的核心器件，高功率微波源利用强流相对论电子束与器件内部腔体的谐振模式相互作用，进而辐射高功率微波。提高高功率微波源的单脉冲能量及平均功率水平是技术高功率微波领域始终追求的目标，通常可以通过提高器件峰值功率、重复频率和脉冲宽度三方面来实现。上世纪九十年代，在经历了高功率微波发展的鼎盛时期后，人们意识到单一高功率微波源的峰值功率水平很难大幅度提高，而重复频率运行频率要达到或超过kHz水平也非常困难。因此，延长输出微波的脉冲宽度成为高功率微波研究领域提高器件单脉冲能量和平均功率水平的重要手段。

研究长脉冲RBWO具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【JunZhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-De Zhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,andLiu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With RepetitiveOperation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】（以下称为现有技术1）。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导以及螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。其中慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，第5个慢波叶片具有较大的最大外半径，5个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导为内半径为R₇的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该器件结构简单，有利于高功率微波的稳定输出，并且器件采用较大半径的输出波导收集残余电子，降低了收集处电子的密度，减少了因电子轰击输出波导内壁而产生的二次电子的数量，进而削弱了等离子体对微波产生的影响，有利于实现长脉冲运行。实验结果表明，微波输出功率达到1GW，脉宽100ns，频率为3.6GHz。但是该器件功率转换效率较低，仅为20%，低于常规RBWO的30%左右的功率转换效率。输出同样功率的微波，较低功率转换效率要求脉冲驱动源注入更高的电功率，故对脉冲驱动源的驱动能力提出较高要求，不利于其结构的紧凑化。因此，该技术方案不能实现长脉冲RBWO的高效率运行，不利于实现高功率微波系统的小型化和紧凑化。

提高RBWO的功率转换效率有多种途径，例如采用非均匀慢波结构、加入谐振腔、采用等离子体加载等。【刘国治，陈昌华，张玉龙，同轴引出相对论返波管，强激光与粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】（以下称为现有技术2）中公布了一种同轴引出相对论返波管的结构。该结构中慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，第9个慢波叶片具有较大的最大外半径，9个慢波叶片的长L₁度相同。该同轴引出相对论返波管还包括一个圆柱形的同轴提取结构，在同轴提取结构左端面挖有环形凹槽，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构和输出波导的连接方式没有交代。粒子模拟结果得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45%。但是在对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件慢波结构采用9个慢波叶片，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，影响器件的工作。由于同轴提取结构位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于RBWO长脉冲、重复频率工作。

因此，尽管人们已经开始研究高效率RBWO、长脉冲RBWO，但很少见到成熟且简单易行的方案，尤其是同时实现高效率、长脉冲RBWO的技术方案尚未有公开报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，克服通常RBWO难以兼顾功率转换效率高、输出微波脉宽长，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现高效率、长脉冲的输出微波，且该微波源结构紧凑、易于重复频率运行。

本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与由慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导和同轴提取结构组成的输出口辐射出去。

本发明采用的技术方案是：

一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308，所述阴极座301左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒303左端连接脉冲功率源的外导体，所述阴极302固定在阴极座301右端，在阴极302右端设置截止颈304，所述慢波结构305位于所述截止颈304的右侧，通过锥形波导306与输出波导307相连，在所述阳极外筒303外围设置所述螺线管磁场308，在慢波结构305右侧还设置有固定在所述输出波导307内壁上的同轴提取结构309，所述同轴提取结构309为与所述输出波导307具有相同中心轴线的圆柱体。

优选地，所述同轴提取结构309左端面与所述慢波结构305右侧末端的距离范围为工作波长的0.1-0.2倍。

优选地，所述同轴提取结构309左端面与所述慢波结构305右侧末端的距离范围为工作波长的1/6。

优选地，所述同轴提取结构309通过支撑杆固定在所述输出波导307内壁上。

优选地，在所述截止颈304和所述慢波结构305之间还设置有形状为圆盘状的前置反射腔310。

优选地，所述前置反射腔的长度为工作波长的0.15-0.35倍。

优选地，所述前置反射腔的长度为工作波长的1/4。

优选地，所述慢波结构305包括5个慢波叶片。

优选地，所述慢波结构305的慢波叶片内表面为梯形结构、矩形结构或正弦结构。

优选地，所述阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、前置反射腔310和同轴提取结构309采用不锈钢材料，阴极302采用石墨、耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板材料或不锈钢材料，螺线管磁场308采用漆包铜线或玻璃丝包铜线制成。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

（1）本发明采用圆柱体作为同轴提取结构增加反射，有利于提高腔体的Q值，在谐振条件下能提高束波作用效率，可在慢波叶片较少（5个周期）的情况下实现高效的单频振荡，确保实现小型化和高效率。圆柱体同轴提取结构既能克服带凹槽的同轴提取结构产生等离子体影响工作效率，同时该同轴提取结构与锥形波导还具备对电磁波模式进行转换的功能，可将慢波结构区的TM₀₁模转换为同轴TEM模，且结构简单，便于安装实现。

（2）慢波结构前端采用前置反射腔来取代截止颈，能够利用前置反射腔本身的谐振特性，达到截止颈的效果，反射向二极管区方向传输的微波，避免造成不利影响。同时，采用前置反射腔结构，电子束距离谐振腔的径向距离优化后为5mm（大于带截止颈结构RBWO的2mm），避免电子束刮擦或轰击前置反射腔，削弱器件内部射频场，可以有效削弱由于阴极等离子体的径向膨胀而造成的微波脉宽缩短。前置反射腔还可以对从阴极发射的电子束进行预调制，有利于随后的束波相互作用，提高器件功率转换效率。

附图说明

图1为现有技术1中记载的RBWO的结构示意图；

图2为现有技术2中公布的RBWO结构示意图；

图3为本发明中的同轴提取长脉冲RBWO的实施例的原理图；

图4为本发明实施例的结构示意图；

图5为几种不同慢波结构的示意图；

图6为同轴提取结构的连接示意图。

具体实施方式

图1为现有技术1中公布的长脉冲RBWO的结构示意图。该结构由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、截止颈104、慢波结构105、锥形波导106、输出波导107、螺线管磁场108组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构5由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₃，最小内半径为R₄；第5个慢波叶片最大外半径为R₃，最小内半径为R₅，平均半径为R₆，满足R₃＞R₆＞R₅＞R₄，5个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导107为内半径为R₇的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该方案结构简单，实验中实现了脉宽为100ns的长脉冲高功率微波输出，这对于研制长脉冲RBWO有重要借鉴意义。但是该器件功率转换效率较低，仅为20%，低于通常RBWO的30%的功率转换效率，不能实现长脉冲RBWO的高效率运行，不利于高功率微波系统的小型化和紧凑化，影响其应用范围的拓展。

图2为现有技术2中公布的高效率RBWO的结构示意图。虽然该论文公布了该结构的组成，但该结构只是初步建立的数值仿真模型，没有具体技术方案。该结构由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、截止颈204、慢波结构205、锥形波导206、输出波导207、螺线管磁场208、同轴提取结构209组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构205由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₃，最小内半径为R₄；第9个慢波叶片最大外半径为R₃，最小内半径为R₅，平均半径为R₆，满足R₃＞R₆＞R₅＞R₄。9个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导为内半径为R₇的圆波导。同轴提取结构9为外半径为R₈的圆柱，在同轴提取结构209左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R₉和外半径R₁₀满足R₁₀＞R₁＞R₉，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构209和输出波导207的连接方式没有交代。利用该方案建立仿真模型，通过模拟得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45%（高于通常RBWO的30%的功率转换效率），这对于研制高效率RBWO有重要借鉴意义。但是，对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件采用9个慢波结构205，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构209左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导207内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，影响器件的工作。由于同轴提取结构209位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于RBWO长脉冲、重复频率工作。

图3为本发明同轴提取长脉冲RBWO的一种实施例的原理图，图4为实施例的结构示意图。本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、同轴提取结构309、前置反射腔310组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、前置反射腔310采用不锈钢材料，同轴提取结构309、支撑杆311可采用不锈钢、铝等金属材料，阴极302可采用石墨、耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料或不锈钢材料，螺线管磁场308采用漆包铜线或玻璃丝包铜线。

阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体。阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1-2mm，在本实施例中取值为0.1mm，阴极302固定在阴极座301右端，其内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座301右端。在阴极302右端设置截止颈304，截止颈304呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计。

本发明在截止颈304和慢波结构305之间设置了前置反射腔310。前置反射腔310呈圆盘状，内半径R₂和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₂，长度L₅一般取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，在本实施例中L₅为工作波长λ的四分之一。

本实施例中慢波结构305由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，也可以采用矩形结构或正弦结构，详见附图5，图5中分别示出了梯形、矩形和正弦结构的慢波结构（各仅示出剖面的上半部分，下半部分关于剖面线对称）。5个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₃，最小内半径为R₄，平均半径为R₆，满足R₃＞R₆＞R₅＞R₄，慢波叶片的长度L₁一般取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，在本实施例中L₁为工作波长λ的二分之一。相邻慢波叶片之间可以通过台阶座连接或螺纹连接实现紧密配合。

本实施例中锥形波导306的左侧内半径为R₆，右侧内半径为R₇，长度为L₂，L₂一般取值为工作波长λ的1.5-2.5倍，在本实施例中L₂为工作波长λ的2倍。输出波导307为内半径为R₇的圆波导，利用波导内壁收集电子。

本实施例中截止颈304、前置反射腔310、慢波结构305、锥形波导306与输出波导307之间通过螺纹连接或台阶座连接固定后，从阳极外筒303的右侧、沿轴向、紧贴阳极外筒303的内壁，嵌入阳极外筒303并固定。截止颈304左端面的外侧与阳极外筒303紧密接触提供第一支撑点，锥形波导306外侧中间位置通过法兰与阳极外筒303连接提供第二支撑点并起到沿轴向定位的作用。

本实施例中在慢波结构右侧还设置有同轴提取结构309，同轴提取结构309为外半径为R₈的圆柱体，其左端面与慢波结构305右侧末端的距离为L₃，L₃一般取值为工作波长λ的0.1-0.2倍，在本实施例中L₃为工作波长λ的六分之一。同轴提取结构309采用支撑杆的形式固定在输出波导的内壁上。

在本实施例中支撑杆311共有两排，形状可以采用长方体或圆柱体，每排支撑杆311的个数由工作波长λ和R₇、R₈优化设计，一般要求设置支撑杆时对该波长微波传输时的反射系数尽可能小（通常小于1%）。第一排支撑杆311a设置在距离同轴提取结构309左端面为L₆的位置，L₆在本实施例中等于工作波长λ。第二排支撑杆311b与第一排支撑杆311a之间的距离为L₇，在本实施例中为工作波长λ的四分之一。采用两排支撑杆311既增强了支撑强度，又可以消除输出口对微波的反射。同轴提取结构309由两排支撑杆311支撑，从输出波导307的右端沿轴向嵌入输出波导307内。在本实施例中，第一排支撑杆311a通过定位台阶座固定在距离同轴提取结构309左端面为L₆的输出波导307的内壁上，再沿轴向放入一个长度为L₇的金属圆环312a压紧第一排支撑杆311a；随后沿轴向放入第二排支撑杆311b压紧第一个金属圆环312a；最后沿轴向放入第二个金属圆环312b压紧第二排支撑杆311b，见附图6。

输出波导307的右端接天线，同轴提取结构309右端接模式转换器，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得。本发明运行时，阴极302产生的相对论电子束与由慢波结构305决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波经由输出波导307和同轴提取结构309组成的输出口辐射出去。

本实施例实现了中心频率为3.78GHz（对应微波波长λ=7.9cm）的同轴提取高效率长脉冲RBWO。（相应的尺寸设计为：R₁=27mm，R₂=34mm，R₃=40mm，R₄=31mm，R₅=32mm，R₆=36mm，R₇=64mm，R₈=20mm，R₁₁=59mm，R₁₂=42mm，L₁=47mm，L₂=158mm，L₃=14mm，L₅=22mm，L₆=100mm，L₇=20mm）在二极管电压834kV、电流9.3kA、导引磁场2.1T的条件下，输出微波功率2.9GW，功率转换效率37.4%，脉宽117ns（电脉宽160ns）。由上述结果可知，本发明克服了通常RBWO只能单一追求高效率或长脉冲的缺点，能同时兼顾高效率和长脉冲高功率微波输出，并且实现了结构的小型化（仅有5个慢波叶片），对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。

当然，在本实施例中同轴提取结构和阳极外筒连接的支撑杆并不局限于两排，所述支撑杆通过台阶座和金属圆环卡合连接的方式也可以采用螺栓连接等其他替代方式，以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，包括阴极座（301）、阴极（302）、阳极外筒（303）、截止颈（304）、慢波结构（305）、锥形波导（306）、输出波导（307）、螺线管磁场（308），所述阴极座（301）左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒（303）左端连接脉冲功率源的外导体，所述阴极（302）固定在阴极座（301）右端，在阴极（302）右端设置截止颈（304），所述慢波结构（305）位于所述截止颈（304）的右侧，通过锥形波导（306）与输出波导（307）相连，在所述阳极外筒（303）外围设置所述螺线管磁场（308），其特征在于：在慢波结构（305）右侧还设置有固定在所述输出波导（307）内壁上的同轴提取结构（309），所述同轴提取结构（309）为与所述输出波导（307）具有相同中心轴线的圆柱体。

2.根据权利要求1所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述同轴提取结构（309）左端面与所述慢波结构（305）右侧末端的距离范围为工作波长的0.1-0.2倍。

3.根据权利要求2所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述同轴提取结构（309）左端面与所述慢波结构（305）右侧末端的距离范围为工作波长的1/6。

4.根据权利要求1或2或3所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述同轴提取结构（309）通过支撑杆固定在所述输出波导（307）内壁上。

5.根据权利要求1或2或3所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：在所述截止颈（304）和所述慢波结构（305）之间还设置有形状为圆盘状的前置反射腔（310）。

6.根据权利要求5所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述前置反射腔的长度为工作波长的0.15-0.35倍。

7.根据权利要求6所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述前置反射腔的长度为工作波长的1/4。

8.根据权利要求1所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构（305）包括5个慢波叶片。

9.根据权利要求1或8所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构（305）的慢波叶片内表面为梯形结构、矩形结构或正弦结构。

10.根据权利要求5所述的同轴提取长脉冲相对论返波振荡器，其特征在于：所述阴极座（301）、阳极外筒（303）、截止颈（304）、慢波结构（305）、锥形波导（306）、输出波导（307）、前置反射腔（310）和同轴提取结构（309）采用不锈钢材料，阴极（302）采用石墨、耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板材料或不锈钢材料，螺线管磁场（308）采用漆包铜线或玻璃丝包铜线制成。