CN103456587A

CN103456587A - 跨波段机械调频相对论返波振荡器

Info

Publication number: CN103456587A
Application number: CN2013104119867A
Authority: CN
Inventors: 葛行军; 张军; 樊玉伟; 贺军涛; 袁成卫; 李志强; 张强; 王海涛; 钱宝良; 钟辉煌
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103456587B

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，提供一种跨波段机械调频相对论返波振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场，所述内导体是一个圆柱体，通过调节其长度，可以调节输出微波的频率，实现跨波段微波输出。收集极设有环形凹槽，通过支撑杆固定在阳极外筒上。本发明取得的有益效果是：通过调节内导体长度，实现频率在L、S波段之间跳变，调节方式简单，在波段内频率可调，实现在L波段频率调节带宽约7%，在S波段频率调节带宽约2%；慢波叶片外半径可以取值较小，实现小型化；收集极左端留有凹槽结构，能够增加器件末端反射，有利于实现微波的长脉冲输出。

Description

跨波段机械调频相对论返波振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种跨波段机械调频相对论返波振荡器(Relativistic Backward-Wave Oscillator，简称为RBWO)。

背景技术

高功率微波通常是指微波脉冲峰值功率大于100MW，频率在1GHz到300GHz之间的电磁波。从20世纪70年代初出现第一台高功率微波源以来，由于其在民用和军事领域有着广泛的应用需求，高功率微波源技术得到了迅速发展。

频率可调谐是高功率微波源的重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐。电调谐方式在磁控管、回旋管等器件中应用较多，而机械调谐方式在RBWO中应用较多。RBWO是一种基于切伦科夫辐射机制且发展较为成熟的高功率微波源，其利用强流相对论电子束与慢波结构中的返向空间谐波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，受到了各国学者的广泛重视。

在频率调谐RBWO研究方面，主要有美国、俄罗斯和中国的相关研究机构开展了机械调频方面的工作。

1997年，美国新墨西哥州大学的Edl Schamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBWO【E.Schamiloglu,C.T.Abdallah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.Implementation of a Frequency-agile,High Power Backward Wave Osillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。（下文简称为现有技术1）。为了叙述的方便，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。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。截止颈与慢波结构之间是漂移段，是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最小内半径R₈满足R₄＞R₈＞R₅。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。反射段介于慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R₄、长度为L₃的圆柱体，通过调节长度为L₃可以调节频率。微波输出口是一个圆台形结构，圆台左端面半径为R₄，右端面半径为R₆。截止颈和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。实验中，通过调节截止颈到慢波结构的距离、慢波结构到反射环的距离，得到了半功率点处频率调谐带宽约5%、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、反射段的长度L₃实现对工作频率调节，调节方式复杂，调节范围较窄。同时，采用了九个慢波叶片，导致轴向长度过长，不利于器件的小型化。

2008年，俄罗斯大电流研究所的Evgeny等人研制了一种S波段机械调频RBWO【Evgeny M.Tot’meninov,Alexey I.Klimov,et al.Repetitively PulsedRelativistic BWO With Enhanced Mechanical Frequency Tunability[J].IEEE Trans.Plasma Sci.2008,36(5):2609.】。（下文简称为现有技术2）。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构由八个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧三个慢波叶片完全相同，右侧五个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最大外半径R₈、最小内半径R₉满足R₈＞R₄，R₉＞R₅。八个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。截止颈、前置反射腔、漂移段和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。慢波结构右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。实验中，通过调节反射腔至慢波结构距离的方式实现RBWO的频率调谐。在外加电压1MV、束流10kA的条件下，获得了半功率点处调谐带宽约9%、中心频率3.6GHz、微波功率2.5±0.6GW、效率20±4%的结果。该方案通过调节漂移段的长度L₂实现对工作频率调节，慢波结构随之前后移动，调节方式复杂，调节范围较窄。同时，采用了八个慢波叶片，导致轴向长度过长，不利于器件的小型化。

2011年，西北核技术研究所的宋玮等人研究了RBWO的双机械调谐法【WeiSong,Xiaowei Zhang,Changhua Chen,et al.Enhancing Frequency Tuning Ability ofan Improved Relativistic Backward Wave Oscillator[J].Proc.of the Asia-PacificMicrowave Conference2011:283.】。（下文简称为现有技术3）。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构、微波输出口、螺线管磁场、提取腔组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构5由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R₄、最小内半径R₅，长度为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。提取腔介于慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R₁₂、长度为L₄的圆柱体，通过调节长度为L₄可以调节频率。提取腔右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。截止颈、前置反射腔、漂移段和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。数值仿真中，通过改变反射腔至慢波结构的距离、调整提取腔的宽度，得到了调谐带宽约8%、中心频率9.6GHz、功率效率约33%的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、提取腔的长度L₄实现对工作频率调节，调节方式复杂，调节范围较窄。

分析上述研究现状不难看出，频率调谐RBWO取得了较大进展，但存在以下不足：调谐方式复杂，通常需要对两种以上结构进行组合调节；调谐带宽较窄，调谐带宽通常小于10%。因此，采用新的设计思想，研究一种调谐方式简单、调谐带宽较宽的RBWO具有重要的理论和现实意义。

因此，尽管人们已经开始研究机械调频RBWO，但很少见到成熟且简单易行的方案。尤其是实现跨波段机械调频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：克服通常频率RBWO调节方式复杂、调谐带宽较窄的不足，设计一个跨波段机械调RBWO，且该微波源结构紧凑、功率转换效率高。

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和内导体决定的准TEM模式或TM₀₁模式的电磁波进行束波作用，产生跨L波段、S波段的GW级高功率微波输出。通过改变内导体的长度L₅可调节输出微波的工作频率。

本发明采用的技术方案是：

一种跨波段机械调频相对论返波振荡器，包括阴极座401、阴极402、阳极外筒403、截止颈404、慢波结构405、螺线管磁场409，所述阴极座401左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒403左端连接脉冲功率源的外导体，所述阴极402固定在阴极座401右端，在阴极402右端设置截止颈404，所述慢波结构405位于所述截止颈404的右侧，在所述阳极外筒403外围设置所述螺线管磁场409。所述跨波段机械调频相对论返波振荡器还包括内导体406、收集极407、微波输出口408；所述内导体406为圆柱体，右端固定在所述收集极407上，左侧沿轴向插入所述慢波结构405中央，且与慢波结构405同轴，通过调节所述内导体406的长度，用于调节本发明输出微波的频率，实现跨波段微波输出；所述收集极407为圆筒状，位于慢波结构405右侧，其左端面挖有环形凹槽407a，环形凹槽407a的内半径R₁₀和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，其中R₁为所述阴极402的内半径；所述收集极407与阳极外筒403之间的圆环空间为微波输出口408。

进一步地，所述内导体406与收集极407采用螺纹连接，内导体406右端设置有外螺纹，收集极407左侧设置有与所述外螺纹配合的内螺纹。

进一步地，所述慢波结构405由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，所述梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，其中R₂为所述截止颈404的内半径，梯形结构的长度范围为工作波长的0.40-0.60倍。

进一步地，所述环形凹槽407a的长度范围是工作波长的0.25-0.40倍。

进一步地，所述收集极407通过支撑杆410固定在所述阳极外筒403的内壁上。

进一步地，所述支撑杆410共有两排，第一排支撑杆410a位于距离慢波结构405末端距离为L₇的位置，满足L₇＞L₆，其中L₆为环形凹槽407a的长度；第二排支撑杆410b与第一排支撑杆410a之间的距离L₈为工作波长的0.20-0.30倍。

进一步地，所述阴极座401、阴极402、阳极外筒403、截止颈404、慢波结构405、内导体406、收集极407、微波输出口408、支撑杆410均为不锈钢材料，螺线管磁场409采用漆包铜线。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

（1）波段跳变，通过调节内导体长度L₅，实现模式选择与控制，使器件分别工作在同轴慢波结构的基模（准TEM模）和空心慢波结构的基模（TM₀₁模）状态，实现频率在L、S波段之间跳变，拓宽了其应用领域。

（2）调节方式简单，只改变内导体长度L₅.

（3）波段内频率可调，在每个工作波段，通过微调导体长度L₅，在L波段频率调节带宽约7%，在S波段频率调节带宽约2%。

（4）利用慢波结构基模（准TEM模式）的截止频率为0的特点（即对准TEM模式不截止），慢波叶片外半径R₄可以取值较小，进而缩小慢波结构的径向尺寸，实现工作在L波段时的小型化。

（5）收集极左端留有凹槽结构，能够增加器件末端反射，在梯形慢波结构慢波叶片个数较少（5个）的情况下激励起高效的单频振荡，缩短RBWO轴向长度和提高器件效率；凹槽结构内壁吸收残余电子，减少了电子束直接轰击收集极表面产生的二次电子，削弱了二次电子对器件工作过程的影响，有利于实现微波的长脉冲输出。

附图说明

图1为现有技术1中公布的X波段机械调频RBWO的结构示意图；

图2为现有技术2中公布的S波段频率可调RBWO结构示意图；

图3为现有技术3中公布的X波段机械调频RBWO的结构示意图；

图4为本发明中的跨波段机械调频RBWO的原理示意图；

图5为本发明中的跨波段机械调频RBWO的整体结构图。

具体实施方式

图1为现有技术1中公布的机械调频RBWO的结构示意图。为了叙述的方便，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。该结构由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、截止颈104、漂移段112、慢波结构105、反射段113、微波输出口108、螺线管磁场109组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。虽然该论文公布了实验结果，但只给出了结构示意图，没有具体技术方案，下面只是简要介绍本结构的大致连接关系。阴极座101左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒103左端外接脉冲功率源的外导体。阴极102是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座101右端。截止颈104呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。截止颈104与慢波结构105之间是漂移段112，是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构105由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最小内半径R₈满足R₄＞R₈＞R₅。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。反射段113介于慢波结构105与微波输出口108之间，是一个半径为R₄、长度为L₃的圆柱体，通过调节长度为L₃可以调节频率。微波输出口108是一个圆台形结构，圆台左端面半径为R₄，右端面半径为R₆。截止颈104和慢波结构105从阳极外筒103的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒103并固定。在器件运行时，阴极102产生的相对论电子束与慢波结构105的基模（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输出口108输出。实验中，通过调节截止颈到慢波结构的距离、慢波结构到反射环的距离，得到了半功率点处频率调谐带宽约5%、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段112的长度L₂、反射段113的长度L₃实现对工作频率调节，调节方式复杂，调节范围较窄。同时，采用了九个慢波叶片，导致轴向长度过长，不利于器件的小型化。

图2为现有技术2中公布的频率机械可调RBWO频率结构示意图。该结构由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、截止颈204、前置反射腔211、漂移段212、慢波结构205、微波输出口208、螺线管磁场209组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座201左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒203左端外接脉冲功率源的外导体。阴极202是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座201右端。截止颈204呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔211呈圆盘状，内半径等于截止颈204内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段212是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构205由八个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧三个慢波叶片完全相同，右侧五个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最大外半径R₈、最小内半径R₉满足R₈＞R₄，R₉＞R₅。八个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。截止颈204、前置反射腔211、漂移段212和慢波结构205从阳极外筒203的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒203并固定。慢波结构205右端与阳极外筒203之间的圆环空间为微波输出口208。在该RBWO运行中，阴极202产生的相对论电子束与慢波结构205的基模（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输出口208输出。实验中，通过调节反射腔至慢波结构距离的方式实现RBWO的频率调谐。在外加电压1MV、束流10kA的条件下，获得了半功率点处调谐带宽约9%、中心频率3.6GHz、微波功率2.5±0.6GW、效率20±4%的结果。该方案通过调节漂移段212的长度L₂实现对工作频率调节，慢波结构205随之前后移动，调节方式复杂，调节范围较窄。同时，采用了八个慢波叶片，导致轴向长度过长，不利于器件的小型化。

图3为现有技术3中公布的X波段机械调频RBWO频率结构示意图。该结构由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、前置反射腔311、漂移段312、慢波结构305、微波输出口308、螺线管磁场309、提取腔314组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。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，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座301右端。截止颈304呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔311呈圆盘状，内半径等于截止颈304内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段312是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱体，通过调节长度为L₂可以调节频率。慢波结构5由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R₄、最小内半径R₅，长度为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。提取腔314介于慢波结构305与微波输出口308之间，是一个半径为R₁₂、长度为L₄的圆柱体，通过调节长度为L₄可以调节频率。提取腔314右端与阳极外筒303之间的圆环空间为微波输出口308。截止颈304、前置反射腔311、漂移段312和慢波结构305从阳极外筒303的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒303并固定。在该RBWO运行中，阴极302产生的相对论电子束与慢波结构305决定的最低阶模式（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输出口308输出。数值仿真中，通过改变反射腔至慢波结构的距离、调整提取腔的宽度，得到了调谐带宽约8%、中心频率9.6GHz、功率效率约33%的结果。该方案通过同时调节漂移段312的长度L₂、提取腔314的长度L₄实现对工作频率调节，调节方式复杂，调节范围窄。

图4为本发明跨波段机械调RBWO的的原理示意图（A-A剖视图），图5为本发明的整体结构图。本发明由阴极座401、阴极402、阳极外筒403、截止颈404、慢波结构405、内导体406、收集极407、微波输出口408、螺线管磁场409和支撑杆410组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座401、阴极402、阳极外筒403、截止颈404、慢波结构405、内导体406、收集极407、微波输出口408、支撑杆410均为不锈钢材料，螺线管磁场409采用漆包铜线。阴极座401左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒403左端外接脉冲功率源的外导体。阴极402是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座401右端。截止颈404呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。慢波结构405由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，梯形结构的长度L₁一般取值为工作波长λ的0.40-0.60倍，在本实施例中L₁为工作波长λ的二分之一。慢波叶片之间通过螺纹拧紧。截止颈404和慢波结构405从阳极外筒403的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒403的内壁，依次嵌入阳极外筒403并固定。内导体406是一个半径为R₃、长度为L₅的圆柱体，长度为L₅的变化对工作频率会产生影响，通过调节长度L₅，可以调节本发明输出微波的频率，实现跨波段微波输出。内导体406右端通过外螺纹与收集极407相连，左端沿轴向插入慢波结构405中央，且与慢波结构405同轴。收集极407为圆筒状，左端面挖有环形凹槽407a，环形凹槽407a的内半径R₁₀和外半径R₁₁根据阴极402的内半径R₁来选取，满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，环形凹槽407a的长度L₆一般取值为工作波长λ的0.25-0.40倍，在本实施例中L₆为工作波长λ的三分之一。收集极407左端面的中心车出外半径为R₃的内螺纹，与内导体406右端的的外螺纹相连。支撑杆410共有两排，第一排支撑杆410a放在距离慢波结构405末端为L₇的位置，L₇＞L₆；第二排支撑杆410b与第一排支撑杆410a之间的距离L₈一般取值为工作波长λ的0.20-0.30倍，在本实施例中L₈为工作波长λ的四分之一；采用两排支撑杆410既增强了支撑强度，又可以消除输出口对微波的反射。内导体406、收集极407由两排支撑杆410支撑，从阳极外筒403的右端沿轴向嵌入阳极外筒403内。其中，内导体406、收集极407插入阳极外筒403中央且与阳极外筒403同轴，第一排支撑杆410a固定在距离慢波结构405末端为L₇的阳极外筒403的内壁上。收集极407与阳极外筒403之间的圆环空间为微波输出口408。本发明运行时，阴极2产生的相对论电子束与由慢波结构405和内导体406决定的准TEM模式或TM₀₁模式的电磁波进行束波作用，产生跨L波段、S波段的GW级高功率微波输出。通过改变内导体406的长度L₅可调节输出微波的工作频率。

国防科技大学设计了跨波段机械调RBWO，仅通过调节内导体长度，得到以下实验结果：L波段，微波频率1.58GHz，功率大于1GW；S波段，微波频率2.32GHz，功率大于500MW。（相应的尺寸设计为：R₁=30mm，R₂=36mm，R₃=10mm，R₄=55mm，R₅=38mm，R₆=55mm，R₁₀=28mm，R₁₁=34mm，L₁=95mm，L₅=400mm，L₆=63mm，L₇=80mm，L₈=47mm）。

Claims

1.一种跨波段机械调频相对论返波振荡器，包括阴极座（401）、阴极（402）、阳极外筒（403）、截止颈（404）、慢波结构（405）、螺线管磁场（409），所述阴极座（401）左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒（403）左端连接脉冲功率源的外导体，所述阴极（402）固定在阴极座（401）右端，在阴极（402）右端设置截止颈（404），所述慢波结构（405）位于所述截止颈（404）的右侧，在所述阳极外筒（403）外围设置所述螺线管磁场（409），其特征在于：还包括内导体（406）、收集极（407）、微波输出口（408）；所述内导体（406）为圆柱体，右端固定在所述收集极（407）上，左侧沿轴向插入所述慢波结构（405）中央，且与慢波结构（405）同轴，通过调节所述内导体（406）的长度，用于调节本发明输出微波的频率，实现跨波段微波输出；所述收集极（407）为圆筒状，位于慢波结构（405）右侧，其左端面挖有环形凹槽（407a），环形凹槽（407a）的内半径R₁₀和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，其中R₁为所述阴极（402）的内半径；所述收集极（407）与阳极外筒（403）之间的圆环空间为微波输出口（408）。

2.根据权利要求1所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述内导体（406）与收集极（407）采用螺纹连接，内导体（406）右端设置有外螺纹，收集极（407）左侧设置有与所述外螺纹配合的内螺纹。

3.根据权利要求1或2所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构（405）由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，所述梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，其中R₂为所述截止颈（404）的内半径，梯形结构的长度范围为工作波长的0.40-0.60倍。

4.根据权利要求1所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述环形凹槽（407a）的长度范围是工作波长的0.25-0.40倍。

5.根据权利要求1所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述收集极（407）通过支撑杆（410）固定在所述阳极外筒（403）的内壁上。

6.根据权利要求5所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述支撑杆（410）共有两排，第一排支撑杆（410a）位于距离慢波结构（405）末端距离为L₇的位置，满足L₇＞L₆，其中L₆为环形凹槽（407a）的长度；第二排支撑杆（410b）与第一排支撑杆（410a）之间的距离L₈为工作波长的0.20-0.30倍。

7.根据权利要求5所述的跨波段机械调频相对论返波振荡器，其特征在于：所述阴极座（401）、阴极（402）、阳极外筒（403）、截止颈（404）、慢波结构（405）、内导体（406）、收集极（407）、微波输出口（408）、支撑杆（410）均为不锈钢材料，螺线管磁场（409）采用漆包铜线。