CN105280462A - 直接产生线极化te11模的相对论返波管 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波激射器领域，涉及一种直接产生线极化TE₁₁模的相对论返波管，它包括弧形阴极、反射器、角向分区慢波结构、输出波导和磁场线圈。所述弧形阴极位于相对论返波管前端，反射器、角向分区慢波结构、输出波导依次位于弧形阴极后侧，磁场线圈安装在外围。本发明采用非轴对称的弧形阴极和角向分区慢波结构，直接激励TE₁₁模。反射器优选双预调制腔，用于对弧形相对论电子束进行预调制，同时泄露部分TE₁₁模进入弧形阴极区，使电子束在弧形阴极区得到一定的预调制，提高束波转换效率。该装置结构简单、转换效率高，能直接产生线极化TE₁₁模。

Description

直接产生线极化TE11模的相对论返波管

技术领域

本发明属于微波激射器领域，特别是涉及一种相对论返波管。

背景技术

相对论返波管(relativisticbackwardwaveoscillator，以下简称RBWO)具有高功率、高效率、适合重复频率工作等特点，是最重要的高功率微波源之一。目前常使用的RBWO如图1所示(专利号：ZL200710082042.4，高功率相对论返波管)，它包括环形阴极6、谐振反射器7、慢波结构8、输出波导4和磁场线圈5。环形阴极1位于装置前部，谐振反射器7、慢波结构8和输出波导4与环形阴极6相隔一定距离，依次置于其后，磁场线圈5则位于环形阴极6、谐振反射器7和慢波结构8的外围。谐振反射器7为内有圆柱腔的圆管件结构，对慢波结构8产生的微波起反射作用，对环形阴极区和慢波结构区进行微波隔离。慢波结构8一般是一段波导壁变化的波纹圆波导，能使微波的相速减小到小于真空中的光速，使微波相速和电子束的速度能够满足切伦柯夫同步条件。

工作时，由环形阴极6产生薄的环形相对论电子束，在磁场线圈5产生的磁场引导下，经过谐振反射器7，进入慢波结构8，在慢波结构8内激励起微波。从环形阴极6出来的电子束是非调制的，进入谐振反射器7后，产生预调制；随后进入慢波结构8，调制进一步加深。受调制的电子束与微波的-1次空间谐波相互作用，产生切伦柯夫辐射，从而将一部分动能转交给电磁场，这就导致信号幅值进一步增加。微波向环形阴极6方向传输，在慢波结构8的起始端被谐振反射器7反射，重新经过慢波结构8后从输出波导4输出。

上述RBWO为轴对称结构，其输出微波模式通常为TM₀₁模。由于TM₀₁模在辐射场中心点的功率密度为零，实际应用中需采用模式转换器将TM₀₁模转换成TE₁₁模后再进行辐射。模式转换器的引入增加了系统重量、长度和能量损失。因此，能直接产生TE₁₁模的RBWO具有很大的吸引力。

图2给出了一种产生线极化TE₁₁模的RBWO。它包括环形阴极6、布拉格反射器9、慢波结构8、输出波导4和磁场线圈5。布拉格反射器9同时具有左旋和右旋螺纹，可将慢波结构8产生的TM₀₁模转换成TE₁₁模从输出波导4输出。

工作时，环形阴极6发射环形相对论电子束，经过布拉格反射器9，与慢波结构8中TM₀₁模的-1次空间谐波相互作用。产生的TM₀₁模微波在向环形阴极6传输的过程中，被布拉格反射器9转换成线极化TE₁₁模从输出波导4输出。

该技术可以获得线极化的TE₁₁模。但是，所采用的布拉格反射器结构复杂，加工难度大；为保证充分的模式转换，布拉格反射器必须具有多个周期，其长度与慢波结构相当甚至更长，致使磁场线圈、返波管整体加长；另外，布拉格反射器影响电子束的调制，致使电子束与慢波结构中TM₀₁模式相互作用效率较低，只有16.5％。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、直接产生线极化TE₁₁模的相对论返波管。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直接产生线极化TE₁₁模的相对论返波管，包括输出波导和磁场线圈，还包括弧形阴极、反射器、角向分区慢波结构；所述弧形阴极位于相对论返波管前端，所述反射器、角向分区慢波结构、输出波导依次位于弧形阴极后侧，所述磁场线圈安装在弧形阴极、反射器、角向分区慢波结构的外围；

所述弧形阴极是由两段相同的弧形结构阴极沿相对论返波管中心轴线对称分布组成，在高压脉冲作用下发射两段弧形电子束；

所述角向分区慢波结构由相对的两段弧形波纹波导和两段弧形光滑波导组成，弧形波纹波导包围弧形电子束。

进一步的，所述反射器为双预调制腔，双预调制腔是内有3个相连圆柱腔的圆管件结构，3个圆柱腔的半径依次记为：R₁、R₂、R₃，满足R₁、R₃＞R₂。

进一步的，所述3个圆柱腔的半径R₁、R₂、R₃满足0.65λ＜R₁，R₂，R₃＜1.38λ，3个圆柱腔的宽度依次记为：W₁、W₂、W₃，满足0.25λ_g＜W₁，W₂，W₃＜0.5λ_g，其中λ和λ_g分别为微波波长和导波波长。

进一步的，所述弧形阴极的弧心角θ₁满足60°≤θ₁≤120°，所述角向分区慢波结构的弧形波纹波导弧心角θ₂满足60°≤θ₁≤θ₂≤120°。

与已有技术相比，本发明具有以下优点：

一、已有技术采用轴对称的环形阴极和慢波结构，产生轴对称的TM₀₁模式；本发明采用非轴对称的弧形阴极和角向分区慢波结构，直接激励TE₁₁模。

二、已有技术采用谐振反射器或者布拉格反射器对环形阴极区和慢波结构区进行微波隔离，电子束在进入反射器之前没有受到调制；本发明采用双预调制腔，对阴极区和慢波结构区进行部分微波隔离，同时允许部分微波进入阴极区，电子束在阴极区即获得一定的预调制，经过双预调制腔后调制进一步加深，有利于电子束与角向分区慢波结构中的TE₁₁模进行相互作用，提高束波转换效率。

本发明相对论返波管结构简单、转换效率高，能直接产生线极化TE₁₁模。

附图说明

图1现有技术产生TM₀₁模的RBWO结构示意图；

图2现有技术产生线极化TE₁₁模的RBWO结构示意图；

图3本发明一个优选实施例在yz截面上的结构示意图；

图4本发明一个优选实施例在xz截面上的结构示意图；

图5本发明弧形阴极结构示意图；

图6本发明双预调制腔结构示意图；

图7本发明弧形阴极产生的电子束在角向分区慢波结构中的分布；

图8本发明电子束的轴向动量分布；

图9本发明输出模式的电场分布。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明直接产生线极化TE₁₁模的相对论返波管做详细描述。

图3、4给出了本发明的一个实施例示意图。图3中沿相对论返波管中心轴线电子束输出方向为z轴，垂直z轴向上为y轴，垂直y、z轴指向纸面内为x轴，图3是该实施例yz截面上的结构示意图，图4是该实施例xz截面上的结构示意图。本发明提供的相对论返波管包括弧形阴极1、双预调制腔2、角向分区慢波结构3、输出波导4和磁场线圈5。

所述弧形阴极1位于整个结构前端，是由两段相同的弧形结构阴极沿相对论返波管中心轴线对称分布组成，发射端面如图5所示，每段弧形阴极弧心角记为θ₁，优选θ₁满足60°≤θ₁≤120°，在高压脉冲作用下发射两段弧形电子束3所述双预调制腔2、角向分区慢波结构3、输出波导4依次位于弧形阴极1后侧，与弧形阴极1轴向、径向相隔一定距离；磁场线圈5安装弧形阴极1、双预调制腔2、角向分区慢波结构3的外围，用于产生约束弧形相对论电子束的导引磁场。

所述双预调制腔2是内有3个相连圆柱腔的圆管件结构，如图6所示，3个圆柱腔的半径和宽度不同，分别记为：半径R₁、R₂、R₃，宽度W₁、W₂、W₃，且满足R₁、R₃＞R₂。综合考虑返波管结构设计要求，优选0.65λ＜R₁，R₂，R₃＜1.38λ，0.25λ_g＜W₁，W₂，W₃＜0.5λ_g，其中λ和λ_g分别为微波波长和导波波长。双预调制腔2用于电子束预调制，以及微波控制，保证部分微波隔离、部分微波进入阴极区。所述双预调制腔还可以用谐振反射器、截止颈等反射器替换。

所述角向分区慢波结构3的xy截面如图7所示，由相对的两段弧形波纹波导和两端弧形光滑波导组成，图中上下两段为弧形波纹波导，左右两端为弧形光滑波导，弧形波纹波导包围弧形电子束，且弧形波纹波导弧心角θ₂满足60。≤θ₁≤θ₂≤120。，弧形波纹波导弧心角θ₂是xy截面上弧形波纹波导与相对论返波管中心轴线形成的夹角。

工作时，弧形阴极1发射相对的两段弧形相对论电子束，在磁场线圈5产生的磁场作用下，经过双预调制腔2时获得预调制，进入角向分区慢波结构3，在弧形波纹波导内直接激励起TE₁₁模式微波。部分产生的TE₁₁模式微波向弧形阴极1端传输，透过双预调制腔2，进入弧形阴极区，对电子束进行预调制；剩余部分TE₁₁模式微波被双预调制腔2反射、隔离。该结构增加电子束预调制的区域，提高束波转换效率。

上述实施方式的一个具体实施例，相对论返波管工作在X波段，各主要结构参数如下：

θ₁＝θ₂＝90°，R₁＝29.5mm，W₁＝11.5mm，R₂＝26mm，W₂＝16mm，R₃＝31mm，W₃＝10mm。在二极管电压780kV，电流6.1kA时，产生微波功率2.0GW，频率9.25GHz，束波转换效率42％。电子束的轴向动量分布如图8所示，可以看出，电子束在进入双预制调腔之前就已经受到一定的调制，调制在双预制调腔进一步加深。输出微波模式的电场分布如图9所示，为线极化TE₁₁模式。

另外，调整上述实施例中的θ₁、θ₂进行测试，试验结果如下：

θ₁＝θ₂＝60°，在二极管电压830KV，电流4.8kA时，产生微波功率1.3GW，频率9.3GHz，效率32％。

θ₁＝90°，θ₂＝120°，在二极管电压780KV，电流6.1kA时，产生微波功率1.7GW，频率9.28GHz，效率36％。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，不脱离本发明构思作出的各种变化，仍落在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种直接产生线极化TE₁₁模的相对论返波管，包括反射器、输出波导(4)和磁场线圈(5)，其特征在于，还包括弧形阴极(1)、角向分区慢波结构(3)；所述弧形阴极(1)位于相对论返波管前端，所述反射器、角向分区慢波结构(3)、输出波导(4)依次位于弧形阴极(1)后侧，所述磁场线圈(5)安装在弧形阴极(1)、反射器、角向分区慢波结构(3)的外围；

所述弧形阴极(1)是由两段相同的弧形结构阴极沿相对论返波管中心轴线对称分布组成，在高压脉冲作用下发射两段弧形电子束；

所述角向分区慢波结构(3)由相对的两段弧形波纹波导和相对的两段弧形光滑波导组成，弧形波纹波导包围弧形电子束。

2.如权利要求1所述的相对论返波管，其特征在于，所述反射器为双预调制腔(2)，双预调制腔(2)是内有3个相连圆柱腔的圆管件结构，3个圆柱腔的半径依次记为：R₁、R₂、R₃，满足R₁、R₃＞R₂。

3.如权利要求2所述的相对论返波管，其特征在于，所述3个圆柱腔的半径R₁、R₂、R₃满足0.65λ＜R₁，R₂，R₃＜1.38λ，3个圆柱腔的宽度依次记为：W₁、W₂、W₃，满足0.25λ_g＜W₁，W₂，W₃＜0.5λ_g，其中λ和λ_g分别为微波波长和导波波长。

4.如权利要求1或2或3所述的相对论返波管，其特征在于，所述弧形阴极(1)的弧心角θ₁满足60°≤θ₁≤120°，所述角向分区慢波结构(3)的弧形波纹波导弧心角θ₂满足60°≤θ₁≤θ₂≤120°。