CN104900465A

CN104900465A - 一种双波段相对论速调管放大器

Info

Publication number: CN104900465A
Application number: CN201510349154.6A
Authority: CN
Inventors: 许州; 雷禄容; 袁欢; 黄华; 马弘舸; 刘振帮; 黄吉金; 何琥; 陈昭福
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2015-09-09

Abstract

本发明提供了一种双波段相对论速调管放大器的技术方案，该方案包括有漂移管、输入腔、第一中间腔、第二中间腔和输出腔；输入腔设置在漂移管靠近阴极的侧壁上；输出腔设置在漂移管远离阴极的一端；第一中间腔设置在输出腔和输入腔之间的漂移管上；第二中间腔设置在第一中间腔和输出腔之间的漂移管上。该方案采用同轴信号馈入结构的多间隙输入腔，采用两个分别谐振于低、高波段的中间腔，在输出腔采用距离可调节的输出过渡段，能够使输入腔工作于两个频点，使束流在需要的输出微波频点得到较高调制，使输出腔能工作于两个波段输出微波的频点。

Description

一种双波段相对论速调管放大器

技术领域

本发明涉及的是微波电子学器件领域，尤其是一种双波段相对论速调管放大器。

背景技术

随着高功率微波的发展，能够产生两个频率的高功率微波源成为高功率微波技术的一个新的发展方向，在国内外都有相关的报道。国内外研制的双波段微波源是相对论返波振荡器和磁绝缘线振荡器，如俄罗斯科学院应用物理研究所的Ginzburg N S等人于2003研制的双频相对论返波振荡器模拟得到功率1MW、效率10％、频率分别为8.8GHz和10.3GHz的双频微波输出(The 4th IEEE InternationalConference on Vacuum Electronics.2003:181～182.)；国内中国工程物理研究院研制的双频磁绝缘线振荡器，在电子束电压为530kv，电流为45.5kA的条件下，模拟得到了稳定的双频微波输出，其微波频率分别为1.28GHz和1.50GHz，周期平均功率约为2.65GW，功率效率约为11％(强激光与粒子束,2007,19(10):1702～1708)。

由于相对论速调管放大器(简称RKA)具有高功率、高效率、输出微波相位和幅度稳定的优点，是一种重要的高功率微波源，已经广泛应用于通信、雷达、导航、直线加速器等领域。但常规相对论速调管放大器采用单间隙高频腔结构且腔体尺寸不能机械调谐，通常只能单波段工作，限制了RKA的应用范围。而对于双波段RKA的研究，国内外未见相关报道。因此，为了提高RKA的工作性能和拓展其应用范围，需要设计双波段工作的RKA，以促进高功率微波源的实用化。

在传统RKA输入腔中，为了保证输入腔中电场的角向均匀性和信号功率匹配注入输入腔，常采用工作于模式的单间隙重入鼻锥同轴输入腔，导致不通过调节腔体结构尺寸时输入腔只能工作于一个频点。

传统RKA常采用一个或两个中间腔，中间腔的增加容易产生自激振荡。为了得到较高的调制电流强度，通常中间腔的谐振频率都稍高于工作频率且谐振于同一个波段，其束流的基波分量一般达到85％以上，经过传统中间腔后的调制束流其基波分量互波转换效率较高，而调制束流的二倍频分量约40％，因此二倍频分量的互波转换效率低。

在传统RKA中，为了保证输出微波功率高、频谱单一，常采用固定尺寸的单间隙重入鼻锥输出腔，导致输出腔只能工作于一个波段。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种双波段相对论速调管放大器的技术方案，该方案采用同轴信号馈入结构的多间隙输入腔，采用两个分别谐振于低、高波段的中间腔，在输出腔采用距离可调节的输出过渡段，使输入腔能够工作于两个频点，使束流在需要的输出微波频点得到较高调制，使输出腔能工作于两个波段输出微波的频点。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种双波段相对论速调管放大器，包括有漂移管、输入腔、第一中间腔、第二中间腔和输出腔；输入腔设置在漂移管靠近阴极的侧壁上；输出腔设置在漂移管远离阴极的一端；第一中间腔设置在输出腔和输入腔之间的漂移管侧壁上；第二中间腔设置在第一中间腔和输出腔之间的漂移管侧壁上。

作为本方案的优选：输入腔的信号输入端设置有输入同轴线外导体和输入同轴线内导体；输入腔内部设置有两个输入腔隔环。

作为本方案的优选：第一中间腔靠近输入腔端设置有中间腔鼻锥。

作为本方案的优选：第二中间腔内设置有两个中间腔隔环。

作为本方案的优选：输出腔包括有支撑杆、输出同轴线外导体、输出同轴线内导体和收集极；输出同轴线外导体设置在输出腔的内壁上；输出同轴线内导体设置在输出腔内部并通过支撑杆与输出同轴线外导体连接；输出同轴线内导体靠第二中间腔的一端与收集极连接；输出同轴线内导体远离第二中间腔的一端与负载连接。

作为本方案的优选：输出同轴线内导体的外壁上设置有输出过渡段。

作为本方案的优选：收集极上设置有输出腔鼻锥。

作为本方案的优选：输出过渡段与输出腔鼻锥之间的轴向距离能够调节。

如上所述，本发明与现有技术相比有如下优点：1.采用三间隙输入腔外加同轴线输入结构，可以使输入腔内电场角向比较均匀的情况下利用三间隙输入腔结构在相同的横模下具有不同的纵向谐振模式，解决了双波段RKA输入结构不需机械调节就可以工作于两个频点的问题，且还便于高频信号源及注入系统的设计；2.合理设计两个分别谐振于低、高波段的中间腔，利用速调管放大器特有的倍频技术、强流RKA中束流高度的非线性调制特性以及频率控制技术，解决了束流在需要波段的频率点得到较高调制而在不需要的频率点得到抑制的问题；3.采用同轴输出腔，利用同轴谐振腔具有不同腔长的工作模式且只需调节一个结构尺寸就实现了双波段微波稳定输出。该调节方式简单且不需调节输出腔的内外径和耦合输出结构，便于实际辐射天线系统的设计。

同轴线信号馈入结构，可以有效改善输入腔中电场的角向均匀性；另外考虑其高频信号注入系统的经济成本和馈入的方便，本发明输入腔需工作于低波段(如S波段)的两个频率点，本发明利用三间隙输入腔结构在相同的横模(如TM01模)下具有不同的纵向谐振模式(如模、模和模)，解决了双波段RKA输入结构可以工作于两个频点的问题。即当该腔工作于模式时，其谐振频率约为高波段(C波段)输出微波频率的一半(S波段的第一个频点)；当其工作于模式时，其谐振频率为低波段(S波段的第二个频点)的另一个频率点。本发明的输入腔结构简单且不需机械调节，便于使用同一个高频信号源及注入系统。

为了使RKA中间腔后的调制束流在两个波段的输出微波频率点得到高于80％的调制，本发明的中间腔利用速调管放大器特有的倍频技术、强流RKA中束流高度的非线性调制特性以及频率控制技术，解决束流在需要的频率点得到较高调制的问题。本发明为了便于模式的控制，第一中间腔采用单重入鼻锥腔长的同轴腔，其谐振频率稍高于低波段第二个频率点，用于调制低波段第二个频率点的束流基波分量；第二中间腔采用工作于模的三间隙腔，其刚好谐振于低波段第一个频率点的二倍频处，用于调制低波段第一个频率点的束流二次谐波分量。另外，通过合理设计输入腔和第一中间腔之间以及两个中间腔之间漂移管的距离，可以使束流在需要的频率点得到高于80％的调制。

同轴谐振腔具有不同腔长的工作模式( )可以谐振于不同的频率点，本发明只调节输出腔腔长(即调节输出过渡段与输出腔鼻锥之间的轴向距离)就可以实现双波段输出。当输出过渡段机械调节到图1左端虚线处时，其谐振于低波段的的第二个频率点，工作模式为当输出过渡段处于图1中所示的轴向位置不动时，其谐振于低波段的第一个频率点的二倍频处(高波段)，工作模式为本发明输出腔只调节一个尺寸就可以实现双波段输出，该种调谐方式简单，便于实际应用。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是双波段相对论速调管放大器的工作原理示意图；

图2是传统的相对论速调管放大器的结构示意图；

图3是注入信号频率为2.8GHz时第二中间腔后基波和二次谐波调制束流幅值大小图；

图4是注入信号频率为2.8GHz时第二中间腔后调制电流的频谱图；

图5是注入信号频率为3.2GHz时第二中间腔后基波和二次谐波调制束流幅值大小图；

图6是注入信号频率为3.2GHz时第二个中间腔后调制电流的频谱图；

图7是注入信号频率为3.2GHz时RKA输出微波功率图；

图8是注入信号频率为3.2GHz时RKA输出微波频谱图；

图9是注入信号频率为2.8GHz时RKA输出微波功率图；

图10是注入信号频率为2.8GHz时RKA输出微波频谱图。

图中，1为漂移管，2为高频信号，3为输入腔，5为第一中间腔，7为第二中间腔，9为输出腔，10为输出腔鼻锥，11为支撑杆，12为输出同轴线外导体，13为输出同轴线内导体，14为负载，15为阴极，16为输出同轴线外导体，17为输出同轴线内导体，18为输入腔隔环，20为电子束，21为鼻锥，22为中间腔隔环，24为收集极，25为输出过渡段。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

作为本发明的一个例子，考虑一个可以实现S波段(输出微波频率3.2GHz)和C波段(输出微波频率5.6GHz)的RKA。其中，漂移管半径为1.3cm，输入同轴线内外导体半径分别为2.4cm、3.2cm，输入腔半径为4.5cm，间隙为1.2cm，输入腔隔环内径和厚度分别为1.9cm和0.5cm，输入腔后漂移管长为23cm；第一中间腔的半径为3.5cm，腔长为2.1cm，鼻锥内外半径分别为1.3cm和1.7cm，长度为0.5cm；第一中间腔后漂移管长为12cm；第二中间腔半径为2.4cm，间隙为0.4cm，第二中间腔隔环内径和厚度分别为2.1cm和0.2cm；第二中间腔后漂移管长为11cm；输出腔半径为2.7cm，间隙为0.9cm，输出腔鼻锥内外半径分别为1.3cm和1.7cm，当输出微波为S波段时，其鼻锥长度为1.3cm，当输出微波为C波段时，其鼻锥长度为2.7cm；支撑杆为4根，其轴向厚度为0.4cm，圆周方向张角为10度且均匀分布；输出过渡段内外半径分别为1.4cm和2.4cm，长度为7.8cm，输出同轴线内外导体半径分别为1.4cm、2.7cm。阴极发射电子束的电压为700kV、电流为4kA，注入340kW的高频信号。当注入2.8GHz的高频信号得到束流经输入腔和两个中间腔调制后的基波(即频率为2.8GHz)调制电流深度(基波电流幅值与直流束电流之比)为20％，其二次谐波(即频率为5.6GHz)调制深度为85％，基波和二次谐波调制束流及束流频谱分别如图3和4所示；当注入3.2GHz的高频信号得到束流经输入腔和两个中间腔调制后的基波调制电流深度为97％，其二次谐波调制深度为22％，基波和二次谐波调制束流及束流频谱分别如图5和6所示。从图3～图6可以看出：调制电流在所需波段的频率点的调制深度都高于了80％，而在不需要的频率点的调制深度都小于25％，这有利于输出腔的设计和提高输出微波功率；调制束流在两个频率点的频谱很纯，不存在多腔管子易激起的杂频振荡。整管RKA运行时：当注入微波频率为3.2GHz时，S波段输出微波功率1GW、效率35％、频率3.2GHz，其输出微波功率及频谱如图7和8所示，从图8可以看出，S波段输出微波频谱纯，中心频率为3.2GHz，其二次谐波信号得到了有效抑制；当注入微波频率为2.8GHz，C波段输出微波功率约490MW、效率17％、频率5.6GHz，其输出微波功率及频谱如图9和10所示，从图10可以看出，C波段输出微波频谱单一，中心频率为5.6GHz，而基波信号得到了有效抑制。可见利用速调管放大器特有的倍频技术、强流RKA中束流高度的非线性调制特性以及频率控制技术，采用三间隙输入腔、分别谐振于低高波段的的两个中间腔、可机械调节腔长的同轴输出腔可以实现双波段RKA稳定微波输出。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：包括有漂移管、输入腔、第一中间腔、第二中间腔和输出腔；所述输入腔设置在漂移管靠近阴极的侧壁上；所述输出腔设置在漂移管远离阴极的一端；所述第一中间腔设置在输出腔和输入腔之间的漂移管侧壁上；所述第二中间腔设置在第一中间腔和输出腔之间的漂移管侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述输入腔的信号输入端设置有输入同轴线外导体和输入同轴线内导体；所述输入腔内部设置有两个输入隔环。

3.根据权利要求1所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述第一中间腔靠近输入腔端设置有中间腔鼻锥。

4.根据权利要求1所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述第二中间腔内设置有两个中间腔隔环。

5.根据权利要求1所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述输出腔包括有支撑杆、输出同轴线外导体、输出同轴线内导体和收集极；所述输出同轴线外导体设置在输出腔的内壁上；所述输出同轴线内导体设置在输出腔内部并通过支撑杆与输出同轴线外导体连接；所述输出同轴线内导体靠中间腔一端与收集极连接；所述输出同轴线内导体远离中间腔的一端与负载连接。

6.根据权利要求5所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述输出同轴线内导体的外壁上设置有输出过渡段。

7.根据权利要求5所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述收集极上设置有输出腔鼻锥。

8.根据权利要求6所述的一种双波段相对论速调管放大器，其特征是：所述输出过渡段与输出腔鼻锥之间的轴向距离能够调节。