CN104409302A - X波段过模相对论速调管放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种X波段过模相对论速调管放大器包括：环形阴极、谐振反射器、输入腔、第一段漂移管、吸波材料、群聚腔、第二段漂移管、输出腔和磁场线圈；所述环形阴极位于结构最前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述谐振反射器、输入腔、第一段漂移管、吸波材料、群聚腔、第二段漂移管和输出腔依次置于环形阴极后侧；所述磁场线圈安装在整个结构的外围；所述谐振反射器、输入腔、群聚腔和输出腔工作模式为TM02模，所述第一段漂移管和第二段漂移管可传输TM01模。采用本发明的技术方案，可产生高功率X波段微波。

Description

X波段过模相对论速调管放大器
技术领域
本发明属于微波激射器领域，尤其涉及一种X波段过模相对论速调管放大器。
背景技术
相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier，以下简称RKA)具有输出微波频率和相位可控，适合功率合成的特点，是当前最有潜力的高功率微波器件之一。传统技术的RKA工作模式为TM01模，其通过漂移管对TM01模截止，即要求R/λ＜0.385(其中R为漂移管半径，λ为微波波长)，来实现各腔体之间的隔离。如图1所示，给出了一种传统技术的RKA。它包括环形阴极1、输入腔3、第一段漂移管4、群聚腔6、第二段漂移管7、输出腔8和磁场线圈9。工作时，环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈9产生的磁场引导下，通过输入腔3时，受到注入微波在其中建立的高频电场的作用，电子束获得速度调制。在第一段漂移管4，速度调制转换成密度调制。群聚的电子束经过群聚腔6时，在其中激励起更强的电磁场，该电磁场反过来又作用于电子束，使其获得更强的速度调制，并在第二段漂移管7中进一步群聚。当强烈群聚的电子束通过输出腔8时，在其中激励起高频场并与之作用。由多数电子形成的群聚块，在场的正半周穿过间隙，受到减速，其余少数电子在场的负半周穿过间隙，受到加速。由于受到减速的电子数目多，因此总体上电子束将能量交给高频场，实现了电子束直流电功率向微波功率的转化，同时也实现了小功率的注入微波到高功率微波的放大。
由于传统RKA要求R/λ＜0.385，因此其适合在低频下工作。当其工作在高频段如X波段时，由于器件径向尺寸减小，功率容量降低，无法产生高功率的X波段微波。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对论速调管放大器，可以产生高功率的X波段微波。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种X波段过模相对论速调管放大器包括：环形阴极、谐振反射器、输入腔、第一段漂移管、吸波材料、群聚腔、第二段漂移管、输出腔和磁场线圈；所述环形阴极位于结构最前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述谐振反射器、输入腔、第一段漂移管、吸波材料、群聚腔、第二段漂移管和输出腔依次置于环形阴极后侧；所述磁场线圈安装在整个结构的外围；所述谐振反射器、输入腔、群聚腔和输出腔工作模式为TM02模，所述第一段漂移管和第二段漂移管可传输TM01模，所述谐振反射器反射从输入腔向环形阴极泄露的注入微波，所述吸波材料用于衰减从群聚腔和输出腔向输入腔传输的微波。
与传统的RKA相比，本发明中谐振反射器、输入腔、群聚腔和输出腔工作模式为TM02模，第一段漂移管和第二段漂移管传输TM01模，从而增大了X波段过模相对论速调管放大器的径向尺寸，以产生高功率的X波段微波。由于增大X波段过模相对论速调管放大器的径向尺寸，同时也增大了漂移管半径，导致漂移管对TM01模不截止，因此不能像传统RKA一样，利用漂移管对TM01模截止来实现腔体之间隔离，而是通过利用谐振反射器反射从输入腔向环形阴极泄露的注入微波，并利用吸波材料衰减从群聚腔和输出腔向输入腔传输的微波抑制自激振荡，实现各腔体之间的隔离。
附图说明
图1现有技术的X波段三重轴RKA结构示意图；
图2本发明的结构示意图；
图3本发明的一个优选实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明X波段过模RKA做详细描述。
如图2所示，本发明提供一种X波段过模相对论速调管放大器包括：环形阴极1、谐振反射器2、输入腔3、第一段漂移管4、吸波材料5、群聚腔6、第二段漂移管7、输出腔8和磁场线圈9。所述环形阴极位于结构最前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述谐振反射器、输入腔、第一段漂移管、吸波材料、群聚腔、第二段漂移管和输出腔依次置于环形阴极后侧；所述磁场线圈安装在整个结构的外围。
所述谐振反射器2、输入腔3、群聚腔6和输出腔8工作模式为TM02模；所述第一段漂移管4和第二段漂移管7可传输TM01模；所述吸波材料5用于衰减从群聚腔6和输出腔8向输入腔3传输的微波，抑制自激振荡；所述谐振反射器2用于反射从输入腔3向环形阴极1泄露的注入微波。
输入腔3，用于注入调制微波；
群聚腔6，用于对经过第一段漂移管4后的电子束进一步速度调制。
第一段漂移管4和第二段漂移管7，用于将电子束的速度调制转换成密度调制。
输出腔，用于激励起高频场，其与经过第二段漂移管7后的强烈群聚电子束作用，产生高功率微波。
如图3所示，作为上述结构的一种优选实施方式，所述第一段漂移管4和第二段漂移管7半径R0相等，0.385λ＜R0＜0.88λ；所述谐振反射器2为内有圆柱腔的圆管件结构，其半径R1为：0.88λ＜R1＜1.38λ，宽度W1为：0＜W1＜0.25λg；所述输入腔3注入微波时，可从相对论返波管前端或后端注入。本实施例提供的输入腔3实现了微波的后端注入，其包含注入腔和与可锁频相对论返波管外壁连接的同轴波导，同轴波导的波导腔与注入腔相通，微波从同轴波导后端注入，并通过注入腔馈入相对论返波管体内，所述输入腔3为内有圆柱腔的圆管件结构，其半径R2为：0.88λ＜R2＜1.38λ，宽度W2为0＜W2＜0.25λg；所述吸波材料5为同轴波导结构，其外半径R3为：0.88λ＜R3＜1.38λ，宽度W3为：2λ＜W3＜3λ，材料电导率σ为：0.1s/m＜σ＜10S/m；所述群聚腔6为内有3个圆柱腔的圆管件结构，其半径R4、R5、R6为：0.88λ＜R4，5，6＜1.38λ，宽度W4、W5、W6为：0＜W4，5，6＜0.25λg；所述输出腔8为内有两个内外圆柱腔的圆管件结构，其内半径R7、外半径R8为：0.88λ＜R7＜R8＜1.38λ，内圆柱腔宽度W7、外圆柱腔宽度W8为：0＜W8＜W7＜0.25λg；其中，λ为微波波长、λg为导波波长。
工作时，环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈9产生的磁场引导下，通过谐振反射器2和输入腔3时，受到注入微波在其中建立的高频电场的作用，电子束获得速度调制。经过第一段漂移管4和吸波材料5，速度调制转换成密度调制。群聚的电子束经过群聚腔6时，在其中激励起更强的电磁场，该电磁场反过来又作用于电子束，使其获得更强的速度调制，并在第二段漂移管7中进一步群聚。当强烈群聚的电子束通过输出腔8时，在其中激励起高频场并与之作用，产生高功率微波。在输出腔8产生的微波会有少量向群聚腔6传输，大部分被群聚腔6反射，少部分透过群聚腔6向输入腔3传输，同时在群聚腔6产生的微波也会有少量向输入腔3传输，这两部分微波都会被吸波材料5所衰减，避免其影响输入腔3中注入微波的幅度和相位，从而避免自激振荡的产生。
上述实施方式的一个具体实施例，其工作在X波段，各主要结构参数如下：R0＝24mm，R1＝30mm，W1＝9mm，R2＝29.5mm，W2＝7.5mm，R3＝30mm，W3＝67mm，σ＝0.59S/m，R4＝29.5mm，W4＝7mm，R5＝30mm，W5＝10.5mm，R6＝29mm，W6＝8.5mm，R7＝29mm，W7＝9.5mm，R8＝30mm，W8＝3.5mm。在二极管电压570kV，电流7kA时，注入微波功率10MW、频率9.30GHz时，产生微波功率1.28GW，频率9.30GHz，束波转换效率32％；本实施例漂移管半径是传统RKA的两倍，提高了功率容量。
说明书中描述的只是该发明的具体实施方式。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (1)

1.一种X波段过模相对论速调管放大器，包括：环形阴极(1)、输入腔(3)、输出腔(8)和磁场线圈(9)；所述环形阴极(1)位于结构最前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述磁场线圈(9)安装在整个结构的外围；其特征在于，还包括：谐振反射器(2)、第一段漂移管(4)、吸波材料(5)、群聚腔(6)、第二段漂移管(7)，所述谐振反射器(2)、输入腔(3)、第一段漂移管(4)、吸波材料(5)、群聚腔(6)、第二段漂移管(7)和输出腔(8)依次置于环形阴极(1)后侧；所述谐振反射器(2)、输入腔(3)、群聚腔(6)和输出腔(8)工作模式为TM02模；所述第一段漂移管(4)和第二段漂移管(7)可传输TM01模；谐振反射器(2)反射从输入腔(3)向环形阴极(1)泄露的注入微波；所述吸波材料(5)用于衰减从群聚腔(6)和输出腔(8)向输入腔(3)传输的微波。
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