CN104992892B - 一种永磁包装相对论磁控管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁包装相对论磁控管，所述磁控管为全腔提取轴向输出结构，由阴极、阳极外筒以及轴向提取结构组成；包括若干个环状的永磁铁，一部分永磁铁套在阳极外筒上，另一部分永磁铁套在阳极外筒内的阴极上，永磁铁与磁控管同轴心设置。本发明的永磁磁铁采用内嵌和外部加载相结合的办法，增大了永磁体均匀区尺寸，部分永磁磁铁嵌于磁控管内部，充分利用了磁控管的内部空间，使得整个永磁包装结构较为紧凑。该永磁包装结构能长时间稳定的为相对论磁控管提供所需均匀磁场，使其工作产生吉瓦级的高功率微波输出。该种永磁包装相对论磁控管能很好地应用于结构紧凑或重复频率运行的高功率微波系统之中。

Description

一种永磁包装相对论磁控管

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种永磁包装相对论磁控管，本发明可以应用于高功率微波技术领域的微波产生系统。

背景技术

上世纪70年代以来，随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及计算机粒子模拟软件的发展，高功率微波技术迅速地发展起来，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源。其中绝大部分高功率微波源的工作原理都是利用相对论电子束与微波腔体相互作用产生高功率微波输出，一般来说需要外加磁场约束电子束传输。常见的磁场实现方式为螺线管磁场，庞大的电源系统极大地增加了整个系统的体积和重量，而且消耗了大量的能量，降低了高功率微波源的总体能量效率。此外，在重复脉冲工作的时候，电磁系统还需要冷却和保护装置，进一步增加了系统的复杂性，从而极大的限制了它的应用范围。

相对于电磁系统，永磁系统具有体积小、重量轻、不消耗能量而且能够提供稳定的磁场等优点，故发展永磁包装技术是高功率微波源实用化的重要手段之一。在永磁包装高功率微波源中，永磁体规模决定于励磁空间尺寸和磁场强度两个因素。因此，为了实现高功率微波源的永磁包装，需要尽量减小微波源的尺寸并降低其运行磁场。

相对论磁控管（RM）是最有效的高功率微波源之一。由于它结构简单、运行磁场低、具备高功率与重复脉冲工作的能力，同时也具备多管锁相工作合成输出更大功率的潜能，因而在国际上受到广泛重视。目前的研究重点是尽量提高相对论磁控管的效率，并缩小系统的体积和重量以适应多种小型化应用需求。围绕这一需求，各国学者进行了大量研究，其中透明阴极和衍射输出结构是相对论磁控管提高效率方面最广泛的两种手段。运用粒子模拟软件，美国新墨西哥大学的Mikhail. I. Fuks小组开展了带透明阴极的衍射输出相对论磁控管设计，设计结果在2.45GHz频率上，输出功率达到1.4GW，效率达到70%。稍显不足的是，在尺寸方面，衍射输出磁控管渐变输出口尺寸较大，增大了磁体小型化设计的难度。

相对论磁控管小型化研究方面另一个代表性工作是Greenwood 和Hoff等人提出的一种全腔提取轴向输出结构，该结构将磁控管相邻谐振腔耦合孔以沿中心线对称的形式与一个扇形输出波导相连，当磁控管工作在π模时，扇形输出波导中将激励起TE₁₁模。与传统径向输出磁控管相比，这种结构具有对称输出的特点，对磁控管工作状态影响较小。由于输出微波沿扇形波导轴向传输，器件径向尺寸较小，有利于磁控管的磁体设计并实现小型化。

发明内容

本发明的目的是为了实现轻小型化高功率微波源设计，以满足多种移动应用平台需求，本发明公开了一种基于全腔提取轴向输出技术的永磁包装相对论磁控管结构。该结构具有微波起振速度快、输出功率高以及系统结构简单、紧凑的特点。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种永磁包装相对论磁控管，所述磁控管为全腔提取轴向输出结构，由阴极、阳极外筒以及轴向提取结构组成；包括若干个环状的永磁铁，一部分永磁铁套在阳极外筒上，另一部分永磁铁套在阳极外筒内的阴极上，永磁铁与磁控管同轴心设置。

在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁的内径等于阳极外筒的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。

在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁的轴向位置为相对论磁控管的互作用区域中心。

在上述技术方案中，套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁的外径等于阳极外筒的内径，永磁铁的内径大于阴极的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。

在上述技术方案中，套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁轴向位置中心与相对论磁控管互作用区域中心重合。

在上述技术方案中，套在阳极外筒上的永磁铁与套在阴极上的永磁铁的数量一致，且阳极外筒内外的永磁铁位置一一对应。

在上述技术方案中，阳极外筒内外的永磁铁在垂直于磁控管轴线方向上部分重叠。

在上述技术方案中，所述磁控管的阴极为三根金属杆组成的透明阴极，阳极带有六个谐振腔，提取结构采用六个径向耦合孔与三个扇形波导相结合，三个扇形波导沿角向均匀分布在六个谐振腔的外部，六个耦合孔分别位于六个谐振腔与其相邻的扇形波导的公共壁上。

本发明的永磁包装相对论磁控管的工作原理是：阴阳极间加上高压电脉冲后形成的径向电场，与外部和内嵌的永磁磁铁所形成的轴向磁场正交，由阴极发射的电子在该正交电磁场作用下沿角向漂移，形成电子轮辐；当电子轮辐在互作用空间的旋转与高频场的相速同步时，电子与高频场间发生换能，产生高功率微波；高功率微波通过谐振腔和扇形波导公共壁上的耦合孔，分别由相邻的两谐振腔体以沿中心线对称的两孔耦合的形式进入一个扇形波导，由于相邻的谐振腔中微波相位相差180°，故通过合理设计耦合孔的位置及形状大小，相邻的两个谐振腔中的微波经由各自的壁上的耦合孔，将在扇形波导中激励起类TE10模，此时微波由扇形波导传输出去。三个扇形波导通过同轴波导进一步合成，最后经末端圆锥过渡，由圆波导端口最后输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的永磁磁铁采用内嵌和外部加载相结合的办法，增大了永磁体均匀区尺寸，部分永磁磁铁嵌于磁控管内部，充分利用了磁控管的内部空间，使得整个永磁包装结构较为紧凑。该永磁包装结构能长时间稳定的为相对论磁控管提供所需均匀磁场，使其工作产生吉瓦级的高功率微波输出。该种永磁包装相对论磁控管能很好地应用于结构紧凑或重复频率运行的高功率微波系统之中。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的实施例1的结构示意图；

图2是图1中内嵌永磁磁铁一和外部永磁磁铁二结构示意图；

图3是图1中相对论磁控管示意图；

图4是图3中磁控管的截面示意图；

图5是图1中永磁磁铁的磁场分布图；

图6是永磁包装相对论磁控管输出结果图；

图中，Ⅰ. 内嵌永磁磁铁 Ⅱ. 外部永磁磁铁 Ⅲ. 相对论磁控管。

具体实施方式

本发明的永磁包装相对论磁控管，由外部永磁磁铁、内嵌永磁磁铁和相对论磁控管组成。其中外部永磁磁铁和内嵌永磁磁铁采用具有高的剩余磁感应强度和高的矫顽力的硬磁材料。

外部永磁磁铁为两块大小相同的同轴结构型磁块，环绕于相对论磁控管的外部，其内径等于相对论磁控管的外径，与相对论磁控管保持同轴，外部永磁磁铁的轴向位置为相对论磁控管的互作用区域中心。

内嵌永磁磁铁同样为两块相同大小的同轴结构磁块，其体积较小，位于相对论磁控管的内部，其外径等于相对论磁控管的阳极外径，内径则大于相对论磁控管的阴极外径，也与相对论磁控管保持同轴，两块内嵌小磁块轴向放置中心也与相对论磁控管互作用区域中心重合，轴向位置与外部永磁磁铁的两个磁块有部分重叠。

外部永磁磁铁在互作用中心附近的一小部分区域内形成了沿轴向的均匀磁场。内嵌永磁磁铁位于磁控管内部，内嵌永磁磁铁可以充分利用磁控管内部的空间，在不降低外部永磁磁铁所形成的轴向磁场大小的前提下，将均匀磁场区沿轴向进行延伸。

图1为本发明的永磁包装相对论磁控管的结构示意图，图2是图1结构中内嵌和外部永磁磁铁示意图，图3、图4是图1结构中相对磁控管示意图，图5是图2永磁铁结构所形成的磁场分布图。本发明中的永磁包装相对论磁控管包括内嵌永磁磁铁、外部永磁磁铁Ⅱ和相对论磁控管Ⅲ。

本实施例中永磁磁铁如图2所示，内嵌永磁磁铁Ⅰ的两小块磁块，外径为120mm，内径为66 mm，每块厚度为80 mm，其间隔为150 mm，每块重量为5 Kg，内嵌永磁磁铁总重量为10 Kg，两个小磁块的剩余磁感应强度为1.1T；外部永磁磁铁Ⅱ的两块磁块，外径为310 mm，内径为210 mm，每块厚度为107 mm，其间隔为30mm,每块重量为35.3Kg，外部永磁磁铁总重量为70.6 Kg，两个磁块的剩余磁感应强度为1.3T。整个永磁铁结构的磁场分布图如图5所示，内嵌永磁磁铁在不降低外部永磁磁铁所形成的轴向磁场大小的前提下，将均匀磁场区沿轴向扩展到154mm，整个均匀区的剩余磁感应强度为0.37T。

本实施例中的相对论磁控管Ⅲ如图3、图4所示，包括透明阴极（1、2、3），阳极4，谐振腔5耦合孔6，扇形波导7，同轴波导8，圆锥9，外筒10。透明阴极由三部分组成，分别为阴极底柱1，端帽2，和三根相同大小的金属柱3，阴极底柱为半径15.8mm，长125mm的圆柱；阴极端帽为两个半径23.8mm，厚10mm的圆柱；三根金属柱横截面皆为内半径10.8mm，外半径15.8mm，夹角20°的扇形，金属柱长度为160mm。阳极4半径为33.3mm，阳极轴向长度为80mm，谐振腔数目为6，谐振腔内半径为33.3mm，外半径为60 mm，谐振腔张角为20°，轴向长度为80mm。耦合孔分别位于六个谐振腔的外壁正中间，在谐振腔与扇形波导相连接的公共壁上，共六个，耦合孔内半径为60mm，外半径为70mm，张角为15°，轴向长度为52mm。三个扇形输出波导内半径为70mm，外半径为95mm，张角为90°，扇形波导轴向长度为118mm。与扇形波导相连接的末段同轴波导内半径为70mm，外半径为95mm，轴向长度为150mm,末端圆锥底端半径为70mm，顶端半径为30mm，圆锥高为120mm。

利用粒子模拟软件对上述结构尺寸下的永磁包装相对论磁控管进行计算，如图6所示，得到在馈入电压为623kV、输入电流6.27kA的条件下，在1.58GHz的频率上，输出效率为39.6%。与电磁线圈加载的相同结构尺寸下的该种相对论磁控管计算相比较，二者输出效率相当。由于该永磁包装将器件整体结构紧凑，故该发明可用于对器件小型化要求严格的高功率微波系统之中。

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 (8)

1.一种永磁包装相对论磁控管，所述磁控管为全腔提取轴向输出结构，由阴极、带谐振腔的阳极以及轴向提取结构组成；其特征在于包括若干个环状的永磁铁，一部分永磁铁套在阳极外筒上，另一部分永磁铁套在阳极外筒内的阴极上，永磁铁与磁控管同轴心设置。

2.根据权利要求1所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于套在阳极外筒上的永磁铁的内径等于阳极外筒的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。

3.根据权利要求2所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于套在阳极外筒上的永磁铁的轴向位置为相对论磁控管的互作用区域中心。

4.根据权利要求1所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁的外径等于阳极外筒的内径，永磁铁的内径大于阴极的外径，且每一个永磁铁的大小形状一致。

5.根据权利要求4所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于套在阳极外筒内的阴极上的永磁铁轴向位置中心与相对论磁控管互作用区域中心重合。

6.根据权利要求1所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于套在阳极外筒上的永磁铁与套在阴极上的永磁铁的数量一致，且阳极外筒内外的永磁铁位置一一对应。

7.根据权利要求6所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于阳极外筒内外的永磁铁在垂直于磁控管轴线方向上部分重叠。

8.根据权利要求1所述的一种永磁包装相对论磁控管，其特征在于所述磁控管的阴极为三根金属杆组成的透明阴极，阳极带有六个谐振腔，提取结构采用六个径向耦合孔与三个扇形波导相结合，三个扇形波导沿角向均匀分布在六个谐振腔的外部，六个耦合孔分别位于六个谐振腔与其相邻的扇形波导的公共壁上。