CN103681177A

CN103681177A - S波段12.1%带宽速调管

Info

Publication number: CN103681177A
Application number: CN201310453328.4A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 钟勇
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明提供了一种S波段12.1％带宽速调管。该S波段12.1％带宽速调管包括：电子枪组件，用于发射电子束，该电子在磁场的约束下，沿着漂移通道前进；群聚段组件，将电子枪组件发射的电子束进行速度调制和密度调制，生成高频电子束；以及输出段组件，与所述群聚段组件提供的高频电子束发生注波互作用，电子束的能量在输出腔转化成微波输出。本发明S波段12.1％带宽速调管，在提高带宽和功率方面有其独特的优势。

Description

S波段12.1%带宽速调管

技术领域

本发明涉及电真空技术领域，尤其涉及一种S波段12.1％带宽大功率速调管。

背景技术

在微波电真空器件大家族中，速调管是其中的一种，是在真空状态下，利用带电粒子在电极间运动过程中实现微波信号的振荡或放大的一种电子器件。普通速调管具有高功率、高增益和高效率等特点，与其它微波电子管相比，带宽不是速调管的优势。但是，速调管的输出功率量级却是微波电子管中最高的，作为雷达发射机的核心器件，在电子对抗、自由电子激光武器和雷达成像等应用方面扮演着至关重要的角色。为了提高雷达的抗干扰能力和灵敏度，不仅对速调管的功率和增益要求高，同时还对速调管的带宽提出更高的要求。目前，在S波段大功率速调管的带宽最多只能达到10％，为了提高雷达整体的抗干扰能力和灵敏度，迫切需要大功率、高增益和超宽带速调管。

在实现本发明过程中，申请人发现现有的大功率速调管具有以下技术间题：

(1)传统大功率速调管具有较大的功率和增益，但是在雷达等应用方面，带宽太窄直接会影响到雷达的抗干扰能力、分辨率和灵敏度；

(2)传统的大功率速调管的输出功率有限，大大影响雷达的探测距离和高分辨率雷达成像。

目前研制出的大功率速调管，虽然功率已经有一定的提高，但是却无法真正实现宽频带功率的输出，也就无法真正提高雷达的抗干扰能力、分辨率和灵敏度。

发明内容

(一)要解决的技术间题

鉴于上述技术间题，本发明提供了一种S波段12.1％带宽大功率速调管，以实现高功率、高增益和超宽带的新型S波段12.1％带宽速调管。

(二)技术方案

本发明提供了一种S波段12.1％带宽大功率速调管，包括：电子枪组件、群聚段组件和输出段组件。其中，电子枪组件100，用于发射电子束，该电子在磁场的约束下，沿着漂移通道前进。群聚段组件200，将电子枪组件100发射的电子束进行速度调制和密度调制，生成高频电子束。输出段组件300，与群聚段组件200提供的高频电子束发生注波互作用，电子束的能量在输出腔转化成微波输出。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，电子枪组件100包括：电子枪底盘组件110；电子枪过渡段150；电子枪绝缘陶瓷120，其下端与电子枪底盘组件110连接，上端与电子枪过渡段150连接；电场保护环140，设置于电子枪绝缘陶瓷120的上端的下方；以及电子枪130，与电子枪底盘组件110连接，包括热子组件131、阴极132和聚束极133。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，电子枪的阴极132的形状为圆形，工作电压为63kV，工作电流为42A，其导流系数为2.65μP。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，电子枪的阴极132为氧化物阴极或者钡钨阴极。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，群聚段组件200包括：阳极头组件210，由阳极头211和下磁屏212构成；输入腔220，为圆柱形谐振腔，其与阳极头211的末端焊接，同轴线馈入微波信号，该圆柱形谐振腔腔体的谐振频率为工作中心频率，输入带宽达按照工作带宽要求设置；漂移段260和群聚段中间腔230，依次连接于输入腔220后面，两者形成漂移通道270，被磁场约束的电子束在漂移通道270前进过程中不断与群聚段中间腔230发生相互作用，从而实现对电子束进行速度调制和密度调制。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管还包括：长漂移段250，位于漂移段260的末端，其长度为漂移段长度的2倍。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，群聚段组件的中间谐振腔230采用了谐振腔加载技术和参差调谐技术，其中：谐振腔加载技术是指在谐振腔内涂覆微波衰减材料；参差调谐技术是指通过调节谐振腔的中心频率和品质因数来实现最大的群聚段组件200带宽。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，群聚段组件200还包括：冷却水套240，设置于输入腔220、漂移段260、长漂移段250和群聚段中间腔230的外端，用于对该输入腔220、漂移段260、长漂移段250和群聚段中间腔230进行制冷。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管中，输出段组件300包括：输出腔310；上磁屏320，与输出腔310连接；收集极330，与上磁屏320连接，其被收集极绝缘陶瓷340隔离开，方便测试电子束的通过而使用；输出腔输出波导结构360，与输出腔310的侧壁连接，用于实现微波从输出腔310到输出波导结构360的传输；输出窗组件370，由氧化铍陶瓷材料制备，与输出波导结构360连接，盒型输出窗，用于实现宽频带的传输和管内真空的密封；标准波导380，实现输出微波与负载的过渡连接，其长度取决于负载与输出窗组件370距离；以及标准波导法兰接口390，是实现标准波导380与匹配负载之间紧密连接的连接部件。

优选地，本发明S波段12.1％带宽大功率速调管还包括：收集极水冷却系统350，为收集极330外侧的不锈钢圆筒，将收集极330密闭；收集极330的外表面刻2mm深、2毫米宽的水槽，该水槽实现水的有效流动，从而对收集极330进行降温。

在本发明优选的实施例中，电子枪组件包括电子枪底盘组件、电子枪绝缘陶瓷、电子枪、电场保护环和电子枪过渡段构成，电子枪由灯丝引线、阴极和聚束极组成，电子枪采用发射电流密度大的氧化物或者钡钨阴极，为速调管提供会聚良好的直流电子束，电子枪绝缘陶瓷采用长筒大面积结构，保证电子枪与阳极之间的耐压。群聚段组件由阳极头组件、输入腔、中间腔、冷却水套、长漂移段、漂移段和漂移通道组成，阳极头组件包括阳极头和下磁屏，输入腔中馈入小功率微波，对来自电子枪的直流电子束进行速度调制，调制电子束在经过漂移通道过程中，不断被中间腔调制，经过长漂移段后，其电子束已经获得调制幅度很大的高频电流，中间腔采用谐振腔加载技术和参差调谐技术，可以获得20％的群聚带宽，群聚段采用了水冷却组件，可以保证群聚段的在合适的温度工作。输出段组件包括输出腔、上磁屏、收集极、收集极绝缘陶瓷、收集极水冷却系统、输出腔输出波导结构、输出窗组件、标准波导输出端口和标准波导输出法兰接口，在高频电流最大处放置输出腔，其电子束在输出腔间隙中被减速场减速，从而实现了电子束能量转化成高频微波，经过输出腔的电子束被收集极收集，收集极的水冷却系统保证了输出段组件的温度，输出腔获得的高频微波通过输出腔输出波导结构、输出窗组件和准波导及接口，最后传输给负载，其中输出腔输出波导结构实现了输出腔与输出窗之间的衔接，输出窗采用反射系数小和宽频带陶瓷窗。在上、下磁屏之间放置磁场线圈，给速调管提高聚焦磁场，保证电子束运动方向的通过率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明S波段12.1％带宽速调管具有以下有益效果：

(1)电子枪组件采用发射电流密度大的氧化物或者钡钨阴极，可以有效提高速调管的直流总功率，为速调管提供会聚优良且总功率足够大的电子束；

(2)群聚段组件采用了谐振腔加载技术和参差调谐技术，可以大大提高速调管的群聚带宽，其群聚带宽可以达到20％以上；

(3)群聚段采用了新型冷却水路，可以大大提高群聚段的冷却效率，可以充分保证速调管在合适的温度工作；

(4)在群聚段组件的最后一个中间谐振腔(末前腔)与输出腔之间加上了一段很长的漂移段，可以有效提高速调管的群聚效果，可以大大提高速调管的增益和带宽；

(6)输出窗组件采用了新型陶瓷材料氧化铍，大大提高了输出窗的功率容量和带宽；

(7)收集极采用细长结构技术，防止电子束反转产生振荡，可以有效改善输出特性，大大提高了速调管的可靠性；

(8)收集极冷却水系统采用了大流量单向结构，可以有效提高冷却效率。

本发明S波段12.1％带宽大功率速调管，在提高带宽和功率方面有其独特的优势，解决了速调管工作带宽相对较窄的缺点，大大提高了军用和民用雷达的抗干扰能力、分辨率和灵敏度，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施S波段12.1％带宽大功率速调管的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

100-电子枪组件

110-电子枪底盘组件； 120-电子枪绝缘陶瓷；

130-电子枪；

131-热子组件； 132-阴极；

133-聚束极；

140-电场保护环； 150-电子枪过渡段；

200-群聚段组件

210-阳极头组件；

211-阳极头； 212-下磁屏；

220-输入腔； 230-群聚段中间腔；

240-冷却水套； 250-长漂移段；

260-漂移段； 270-漂移通道；

300-输出段组件

310-输出腔； 320-上磁屏；

330-收集极； 340-收集极绝缘陶瓷；

350-收集极水冷却系统； 360-输出腔输出波导结构；

370-输出窗组件； 380-标准波导；

390-标准波导法兰接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明给公布了一种S波段12.1％带宽速调管。该速调管利用微波输入信号，将电子枪发射的电子束进行速度调制和密度调制，达到良好群聚效果后，与输出腔发生相互作用，从而实现了微波信号的放大。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种速调管。图1为本发明实施例S波段12.1％带宽速调管的轴向剖面结构示意图。如图1所示，本发明速调管包括：电子枪组件100、群聚段组件200和输出段组件300。从电子枪发射出来的电子，被磁场约束，沿着漂移通道前进，经过群聚段谐振腔的多次速度调制和密度调制，获得了较高的高频电流，在经过输出腔间隙时，电子束的直流能量与输出腔的间隙高频场产生能量交换，高频能量从输出窗输出。

以下分别对本实施例速调管的各个组成部分进行详细描述。

速调管的各个组成部分的结构是通过电性能设计、工程设计、机械加工、钎焊和陶瓷封接工艺以及烘排除气等过程实现的。

请参照图1，电子枪组件100，用于发射电子，其作用提供达到一定要求发射电流密度和会聚良好的电子束。该电子枪组件100包括电子枪底盘组件110、电子枪绝缘陶瓷120、电子枪130、电场保护环140和电子枪过渡段150；其中电子枪130包括热子组件131、阴极132和聚束极133。其中电子枪130与电子枪底盘组件110连接，电子枪绝缘陶瓷120下端与电子枪底盘组件110连接，上端与电子枪过渡段150连接，在电子枪绝缘陶瓷120的上端的下方连接一个电场保护环140。该电子枪组件100的阴极的形状为圆形，工作电压为63kV，工作电流为42A，其导流系数为2.65μP。

本实施例中，电子枪采用发射电流密度大的氧化物阴极或者钡钨阴极，可以有效提高速调管的直流总功率，为速调管提供会聚优良且总功率足够大的电子束。

请参照图1，群聚段组件200，将电子枪组件100发射的电子进行速度调制和密度调制，为速调管提供合宜的群聚带宽和增益。该群聚段组件200包括阳极头组件210、输入腔220、群聚段中间腔230、冷却水套240、长漂移段250、漂移段260和漂移通道270；阳极头组件210由阳极头211和下磁屏212构成。其中，电子枪过渡段150与阳极头组件210的下磁屏212焊接而成，阳极头211与下磁屏212侧封连接，阳极头211的形状是球形的；输入腔220采用的是圆柱形谐振腔，同轴线馈入微波信号，其腔体的谐振频率为工作中心频率，输入带宽达按照工作带宽要求设置，它与阳极头211的末端焊接而成，在输入腔211后面依次连接着漂移段260和群聚段中间腔230；群聚段中间腔230之间的漂移段距离各不相同。长漂移段250，位于所述漂移段260的末端，其长度为所述漂移段长度的2倍，其长度为16cm。

由于被磁场约束的电子束在漂移通道270前进过程中不断与群聚段中间腔230发生相互作用，有一少部分电子束在管壁上截获，再加上群聚段中间腔涂覆衰减材料，有大量的热损耗在腔壁和管壁上，因此在群聚段组件外面设计了冷却水套240。

请参照图1，输出段组件300，与群聚段组件200提供的高频电子束发生注波互作用，电子束的能量在输出腔转化成微波输出。其中输出段组件300由输出腔310、上磁屏320、收集极330、收集极绝缘陶瓷340、收集极水冷却系统350、输出腔输出波导结构360、输出窗组件370、标准波导380和标准波导法兰接口390构成。其中输出腔310与群聚段组件200的上端连接，这也是输出段组件300最核心的部件，也是电子束与输出腔发生能量交换的地方，其输出腔310与上磁屏320连接，收集极330与上磁屏320连接，收集极330被收集极绝缘陶瓷340隔离开，方便测试电子束的通过而使用，由于大量的剩余电子被收集极330收集，产生大量的热被收集极冷却系统350吸收；输出腔310产生的微波通过输出腔输出波导结构360来实现的，该输出结构与输出腔通过开一个耦合孔实现传输的，输出波导结构做适当的渐变，可以满足结构的要求；与输出波导结构360连接的输出窗组件370，它的目的是实现宽频带的传输和管内真空的密封，采用的是盒型输出窗，其功率容量能够达到几十兆瓦，完全可以满足要求。与输出窗组件370上端连接的是标准波导380和标准波导法兰接口390，方便负载的连接。

本实施例中，输出窗组件采用了新型陶瓷材料氧化铍，大大提高了输出窗的功率容量和带宽。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明速调管有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)电子枪组件还可以用其他导流系数的电子枪替换；

(2)群聚段中间腔可以用矩形谐振腔来代替；

(3)输出腔可以用多间隙谐振腔替换；

(4)收集极可以用降压收集极来替换。

综上所述，本发明提供一种S波段速调管，可以在S波段有效实现12.1％的相对带宽，解决了速调管工作带宽相对较窄的缺点，大大提高了军用和民用雷达的抗干扰能力、分辨率和灵敏度，具有广泛的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，包括：

电子枪组件(100)，用于发射电子束，该电子在磁场的约束下，沿着漂移通道前进；

群聚段组件(200)，将电子枪组件(100)发射的电子束进行速度调制和密度调制，生成高频电子束；以及

输出段组件(300)，与所述群聚段组件(200)提供的高频电子束发生注波互作用，电子束的能量在输出腔转化成微波输出。

2.根据权利要求1所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述电子枪组件(100)包括：

电子枪底盘组件(110)；

电子枪过渡段(150)；

电子枪绝缘陶瓷(120)，其下端与电子枪底盘组件110连接，上端与电子枪过渡段(150)连接；

电场保护环(140)，设置于所述电子枪绝缘陶瓷(120)的上端的下方；以及

电子枪(130)，与所述电子枪底盘组件(110)连接，包括热子组件131、阴极(132)和聚束极(133)。

3.根据权利要求2所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述电子枪的阴极(132)的形状为圆形，工作电压为63kV，工作电流为42A，其导流系数为2.65μP。

4.根据权利要求2所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述电子枪的阴极(132)为氧化物阴极或者钡钨阴极。

5.根据权利要求1所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述群聚段组件(200)包括：

阳极头组件(210)，由阳极头(211)和下磁屏(212)构成；

输入腔(220)，为圆柱形谐振腔，其与阳极头(211)的末端焊接，同轴线馈入微波信号，该圆柱形谐振腔腔体的谐振频率为工作中心频率，输入带宽达按照工作带宽要求设置；

漂移段(260)和群聚段中间腔(230)，依次连接于输入腔(220)后面，两者形成漂移通道(270)，被磁场约束的电子束在漂移通道(270)前进过程中不断与群聚段中间腔(230)发生相互作用，从而实现对电子束进行速度调制和密度调制。

6.根据权利要求5所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，还包括：

长漂移段(250)，位于所述漂移段(260)的末端，其长度为所述漂移段长度的2倍。

7.根据权利要求5所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述群聚段组件的中间谐振腔(230)采用了谐振腔加载技术和参差调谐技术，其中：

所述谐振腔加载技术是指在谐振腔内涂覆微波衰减材料；

所述参差调谐技术是指通过调节谐振腔的中心频率和品质因数来实现最大的群聚段组件(200)带宽。

8.根据权利要求5所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述群聚段组件(200)还包括：

冷却水套(240)，设置于所述输入腔(220)、漂移段(260)、长漂移段(250)和群聚段中间腔(230)的外端，用于对该输入腔(220)、漂移段(260)、长漂移段(250)和群聚段中间腔(230)进行制冷。

9.根据权利要求1所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，所述输出段组件(300)包括：

输出腔(310)；

上磁屏(320)，与输出腔(310)连接；

收集极(330)，与所述上磁屏(320)连接，其被收集极绝缘陶瓷(340)隔离开，方便测试电子束的通过而使用；

输出腔输出波导结构(360)，与输出腔(310)的侧壁连接，用于实现微波从输出腔(310)到输出波导结构(360)的传输；

输出窗组件(370)，由氧化铍陶瓷材料制备，与所述输出波导结构(360)连接，盒型输出窗，用于实现宽频带的传输和管内真空的密封；

标准波导(380)，实现输出微波与负载的过渡连接，其长度取决于负载与输出窗组件(370)距离；以及

标准波导法兰接口(390)，是实现标准波导(380)与匹配负载之间紧密连接的连接部件。

10.根据权利要求9所述的S波段12.1％带宽速调管，其特征在于，还包括：

收集极水冷却系统(350)，为收集极(330)外侧的不锈钢圆筒，将收集极(330)密闭；

所述收集极(330)的外表面刻2mm深、2毫米宽的水槽，该水槽实现水的有效流动，从而对收集极(330)进行降温。