CN104465275B - 一种捷变频相对论返波管振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种捷变频相对论返波管振荡器，包括螺线管线圈、阴极、外筒、阳极、漂移段、匹配段，所述阳极和漂移段设置在外筒内壁，阴极设置在外筒内的中心轴线处，螺线管线圈套在外筒上；所述漂移管与匹配段之间设置有慢波结构，所述慢波结构设置在外筒内壁上；所述阳极与漂移段之间设置有谐振反射腔。本发明可以通过简单的改变螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度实现微波频率的捷变，从而解决了常规先对论返波管振荡器输出微波频率稳定，很难实现变频的缺点。

Description

一种捷变频相对论返波管振荡器
技术领域
本发明属于微波电子学领域，具体涉及一种新型的返波管振荡器，本发明可以应用于高功率微波源系统。
背景技术
随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及复杂PIC模拟工具的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波器件。其中，相对论返波管振荡器（RBWO）是一种典型的GW量级的高功率微波器件。RBWO利用高能电子束与慢波结构的结构波相互作用产生相干辐射，提取电子的动能，产生高功率微波。
目前，RBWO的设计思路主要是追求纯净的单频、高功率、高效率的微波输出，并且也取得了成功。名称为“Efficient Operation of an Oversized Backward WaveOscillator”的文章（IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE，2011年第39卷第5期P1201-1203），公开了一种相对论返波管振荡器的工作性能，在工作电压约为1.05 MV,工作电流约为21 kA，引导磁场强度为3.5 T的条件下，输出功率为6.0 GW，功率转换效率约27.5%，其频率为8.45 GHz。然而，由于RBWO自身的特点，其输出微波频率稳定，很难实现变频。
实用新型内容
本发明提出了一种捷变频的相对论返波管振荡器，可以通过改变螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度，使其分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段。
本发明采用如下技术方案：
一种捷变频相对论返波管振荡器，包括螺线管线圈、阴极、外筒、阳极、漂移段、匹配段，所述阳极和漂移段设置在外筒内壁，阴极设置在外筒内的中心轴线处，螺线管线圈套在外筒上；所述漂移管与匹配段之间设置有慢波结构，所述慢波结构设置在外筒内壁上；所述阳极与漂移段之间设置有谐振反射腔。
在上述技术方案中，所述外筒内中心处设置阴极，且阴极设置在阳极的一侧，阳极的另一侧为漂移段。
在上述技术方案中，所述慢波结构由分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段的两段慢波结构组成。
在上述技术方案中，所述Ｃ波段慢波结构位于Ｘ波段慢波结构之前。
在上述技术方案中，所述Ｃ波段慢波结构由四个相同的腔体组成。
在上述技术方案中，所述X波段慢波结构由三个相同的腔体组成。
在上述技术方案中，所述Ｃ波段慢波结构是一个布拉格反射腔，它对Ｘ波段微波进行反射，同时对束流进行预调制。
在上述技术方案中，所述谐振反射腔对Ｃ波段工作模式的微波进行反射，对其它模式的微波全通过。
在上述技术方案中，通过调节螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度，使得整个振荡器分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段。
本发明的捷变频的相对论返波管振荡器的工作原理是：在强电场的作用下，电子从阴极的端面发射出来，并在螺线管线圈产生的磁场引导下依次通过阳极、漂移段、谐振反射腔及两段慢波结构、匹配段，当电子的漂移速度接近阳极慢波结构微波场的相速度时，电子束与场相互作用，电子束的能量转换为场的能量，产生高功率微波。通常每一个波段的微波对应不同的低磁场工作区，因此可以通过改变螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度实现微波频率的捷变。
本捷变频的相对论返波管振荡器的优点是可以通过简单的改变螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度实现微波频率的捷变，从而解决了常规相对论返波管振荡器输出微波频率稳定，很难实现变频的缺点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为引导磁场强度为0.5T时的输出微波功率幅值；
图3为引导磁场强度为0.5T时的输出微波频谱；
图4为引导磁场强度为0.8T时的输出微波功率幅值；
图5为引导磁场强度为0.8T时的输出微波频谱；
其中：1是螺线管线圈，2是阴极，3是外筒，4是阳极，5是谐振反射腔，6是漂移段，7是Ｃ波段慢波结构，8是X波段慢波结构，9是匹配段。
具体实施方式
如图1所示，本发明的捷变频的相对论返波管振荡器包括螺线管线圈、阴极、外筒、阳极、谐振反射腔漂移段、及两段慢波结构、匹配段。其连接关系是，外筒内壁上依次放置阳极、漂移段、谐振反射腔、由相同的四个腔组成的Ｃ波段慢波结构、由相同的三个腔组成的X波段慢波结构、匹配段，阴极置于外筒内并且位于阳极之前，整个外筒置于螺线管线圈内。
本发明的核心思想是慢波结构由分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段的两段常规的慢波结构（ＳＷＳ）组成，且Ｃ波段慢波结构位于Ｘ波段慢波结构之前。
在慢波结构前端添加一个谐振反射腔，该谐振反射腔对Ｃ波段工作模式的微波进行反射，而对其它模式的微波全通过，从而实现Ｃ波段微波的模式选择，并对束流进行预调制。
对于Ｘ波段微波来说，Ｃ波段慢波结构是一个布拉格反射腔，它对Ｘ波段微波进行反射，同时对束流进行预调制。
两段慢波结构对电子束参数的要求基本一致。
实施例
本发明的一种捷变频相对论返波管振荡器，包括外筒、阴极、漂移段、由相同的四个腔组成的Ｃ波段慢波结构、由相同的三个腔组成的X波段慢波结构、匹配段。在PIC模拟中，输入电功率4.２GW，当引导磁场强度为0.5T时，输出微波功率1.0GW，输出微波频率为6.28GHz，输出微波功率幅值如图2所示、输出微波频谱如图3所示。
而当引导磁场强度为0.8T时，输出微波功率0.75GW，输出微波频率为9.25GHz，输出微波功率幅值如图4、输出微波频谱如图5所示。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种捷变频相对论返波管振荡器，包括螺线管线圈、阴极、外筒、阳极、漂移段、匹配段，所述阳极和漂移段设置在外筒内壁，阴极设置在外筒内的中心轴线处，螺线管线圈套在外筒上；其特征在于所述漂移管与匹配段之间设置有慢波结构，所述慢波结构设置在外筒内壁上；所述阳极与漂移段之间设置有谐振反射腔；所述慢波结构由分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段的两段慢波结构组成，所述Ｃ波段慢波结构位于Ｘ波段慢波结构之前，通过调节螺线管线圈中的电流来调节引导磁场强度，使得整个振荡器分别工作于Ｃ波段和Ｘ波段。
2.根据权利要求1所述的一种捷变频相对论返波管振荡器，其特征在于所述外筒内中心处设置阴极，且阴极设置在阳极的一侧，阳极的另一侧为漂移段。
3.根据权利要求1所述的一种捷变频相对论返波管振荡器，其特征在于所述Ｃ波段慢波结构由四个相同的腔体组成。
4.根据权利要求1所述的一种捷变频相对论返波管振荡器，其特征在于所述X波段慢波结构由三个相同的腔体组成。
5.根据权利要求3所述的一种捷变频相对论返波管振荡器，其特征在于所述Ｃ波段慢波结构是一个布拉格反射腔，它对Ｘ波段微波进行反射，同时对束流进行预调制。
6.根据权利要求1或5所述的一种捷变频相对论返波管振荡器，其特征在于所述谐振反射腔对Ｃ波段工作模式的微波进行反射，对其它模式的微波全通过。
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