CN105470076B - 一种多频可控高功率微波器件装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频可控高功率微波器件装置，包括由高功率微波器件、器件慢波结构周期调节机构、绝缘子、微波辐射天线及引导磁体经真空密封连接构成的真空腔；所述高功率微波器件包括阴极、漂移腔、束波互作用腔及微波输出腔，所述束波互作用腔由多个带有中心孔的盘荷波导盘片组成均匀周期性慢波结构，带有中心孔的盘荷波导盘片通过螺纹孔与器件慢波结构周期调节机构串接在一起组成盘荷波导周期均匀可调装置；本发明利用中心孔盘荷波导周期均匀可调装置发明技术，可以实现高功率微波器件频率在线、远程可调，单一器件可依次实现不同频率的高功率微波输出。

Description

一种多频可控高功率微波器件装置

技术领域

本发明专利涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种多频可控高功率微波器件装置。

背景技术

高功率微波(HPM)一般是指峰值功率在100MW以上、工作频率为100MHz～300GHz范围内的电磁波。目前高功率微波的产生一般要依靠高能量的相对论电子束，利用慢波结构中的返波与电子注相互作用而产生微波振荡，电子注在这类器件中被加速到接近光速的速度，具有很高的能量，管内的微波通过注波互作用获得电子注的能量，从而产生微波放大。相对论返波振荡器本质上是一种表面波器件，它利用慢波结构壁表面附近集中的高频场与电子束发生共振相互作用而实现将电子束的动能向高频场的能量转移，从而产生微波振荡。这种管子的特点是：结构简单，容易起振，频带宽，输出功率高。相对论返波振荡器自上世纪70年代问世以来，在脉冲功率技术和真空电子学技术长足进步基础上取得了飞速发展，但是这些研究都主要集中在如何提高相对论管的峰值功率和效率方面。一般情况下相对论返波振荡器工作电压强、起振电流大、微波模式单一且输出微波功率高等一些特点，使得在微波管设计时器件一般输出为窄带单频模式，限制了相对论返波管的应用范围。

在采用盘荷波导作为慢波结构的微波器件技术中，为了实现器件输出频率可调，一般采用调节输入微波器件电压和电流来实现微波器件输出微波频率的变化。这种频率可调技术要求脉冲功率源具有很大的电压调节范围，但在器件输出高功率微波状态下，器件内电子束速度接近于光速，因此对电压的变化很不敏感，并且一般脉冲源也只能提供有限的电压调节能力。采用盘荷波导作为慢波结构的相对论高功率微波器件中，辐射微波频率与盘荷波导周期长度之间的乘积基本为一常数，因此可以采用调节盘荷波导周期的方式实现辐射微波频率的调节。这种调节方式对微波频率的改变最为直接、明显，且可以实现高功率微波器件较大频率范围的调谐。

发明内容

本发明的目的是在现有技术基础上，利用中心孔盘荷波导周期均匀可调装置发明技术，可以实现高功率微波器件频率在线、远程可调，单一器件可依次实现不同频率的高功率微波输出。

一种多频可控高功率微波器件装置，包括由高功率微波器件、器件慢波结构周期调节机构、绝缘子、微波辐射天线及引导磁体经真空密封连接构成的真空腔；

所述微波辐射天线为圆锥喇叭天线，引导磁体在装置内产生1T的均匀轴向引导磁场；

所述高功率微波器件包括阴极、漂移腔、束波互作用腔及微波输出腔，

所述束波互作用腔由多个带有中心孔的盘荷波导盘片组成均匀周期性慢波结构，带有中心孔的盘荷波导盘片通过螺纹孔与器件慢波结构周期调节机构串接在一起组成盘荷波导周期均匀可调装置，

器件慢波结构周期长度的变化距离与器件慢波结构周期调节机构的旋转角度呈线性关系，

器件慢波结构的微波频率通过调节慢波结构周期来实现。

在上述技术方案中，所述盘荷波导周期均匀可调装置包括：

外圆波导和设置在外圆波导内的螺杆和若干个慢波结构盘片，所述若干个慢波结构盘片与外圆波导同轴，螺杆设置在慢波结构盘片与外圆波导之间，且螺杆与外圆波导的轴线平行，

每一个慢波结构盘片的固定连接部上设置有螺纹孔，所述螺杆外表面设置有螺纹，螺杆穿过慢波结构盘片上固定连接部位的螺纹孔，螺纹孔的内螺纹与螺杆的外螺纹啮合；

所述若干个慢波结构盘片依次成等差间距与螺杆连接。

在上述技术方案中，所述螺杆的一端通过轴承连接到外圆波导上，使得螺杆只能转动不能沿外圆波导轴线运动。

在上述技术方案中，所述慢波结构盘片的数量可调，两个慢波结构盘片之间的距离可调，两个慢波结构盘片与螺杆连接后的间距可调。

在上述技术方案中，从第一个慢波结构盘片依次到最后一个慢波结构盘片，每一个螺纹孔对应的螺杆上的螺纹距不同。

在上述技术方案中，从第一个慢波结构盘片的螺纹孔到最后一个慢波结构盘片的螺纹孔对应螺杆上的螺纹均逐步变大。

在上述技术方案中，每个螺纹孔对应的螺纹距成等差数列，差值为第一个螺纹孔对应的螺纹距。

在上述技术方案中，在相对论电子束驱动下，根据电子束群速度与返波-1次谐波相等的关系，器件慢波结构周期与辐射微波频率的乘积为常量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用中心孔盘荷波导周期均匀可调装置发明技术，可以实现高功率微波器件频率在线、远程可调，单一器件可依次实现不同频率的高功率微波输出。本发明的中心孔盘荷波导周期可调装置能够保证慢波结构周期大范围尺寸的调节，结构灵活多变，在高功率微波器件中可以很好的实现辐射微波频率的调节。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明中多频可控高功率微波器件结构示意图；

图3是中心孔盘荷波导周期均匀可调装置的结构示意图；

其中：1是场致发射阴极；2是高功率微波器件；3是绝缘子；4是引导磁体；5是微波辐射天线；6是旋转柄，7是外圆波导，8是漂移段，9是螺杆，10是慢波结构盘片。

具体实施方式

如图1所示，装置由高功率微波器件、器件慢波结构周期调节机构、绝缘子、微波辐射天线及磁体组成。微波辐射天线为高功率圆锥喇叭天线，绝缘子材料为增强尼龙，磁体在装置内产生1T的均匀轴向引导磁场。高功率微波器件、器件慢波结构周期调节机构、绝缘子、微波辐射天线及磁体经真空密封连接，构成一真空腔，真空度为毫帕量级。

如图2所示，高功率微波器件由阴极、漂移腔、束波互作用腔及微波输出腔组成。束波互作用腔由多个带有中心孔的盘荷波导盘片组成均匀周期性慢波结构。带有中心孔的盘荷波导盘片通过螺纹孔与器件慢波结构周期调节机构串接在一起，且盘荷波导盘片螺纹孔螺距依次成等差数列排列。右边第一个盘荷波导盘片螺纹孔的螺距为等差数列的公差。

如图3所示，盘荷波导周期均匀可调结构，包括外圆波导和设置在外圆波导内的螺杆和若干个慢波结构盘片，所述若干个慢波结构盘片与外圆波导同轴，螺杆设置在慢波结构盘片与外圆波导之间，且螺杆与外圆波导的轴线平行。

在实际操作过程中，沿着轴线方向将外圆波导切开，方便安装螺杆和慢波结构盘片。慢波结构盘片的数量和螺纹杆上的螺纹距需要提前设计好，慢波结构盘片采用的圆筒形状，圆筒外表面凸出一圈连接部，连接部上设置有一个螺纹孔，用于穿过螺杆，螺纹孔的内螺纹与螺杆上的外螺纹啮合，使得螺纹杆在转动的过程中可以带动连接部一起移动。为了防止在螺杆转动过程中因为螺纹啮合力的不同，可能导致慢波结构盘片会绕这螺杆转动，因此在外圆波导的内表面设置卡槽，并在慢波结构盘片的圆筒外表面上设置卡扣，将卡扣卡入卡槽内，通过卡扣力的作用避免慢波结构盘片绕螺杆转动。为了避免慢波结构盘片上的卡扣在卡槽内受力过大，因此，可以在外圆波导内表面设置多个卡槽，并在慢波结构盘片的圆筒外表面设置同样数量的卡扣，卡槽需要均匀分布在外圆波导内表面，使得慢波结构盘片上每一个卡扣受力均匀。为了保证慢波结构盘片能沿着外圆波导的轴线运动，因此对于卡槽的设计应该保证卡槽和外圆波导的轴线平行，且卡槽的长度和外圆波导的长度一致，这样每一个慢波结构盘片的卡扣都卡入卡槽内，当螺杆转动时，慢波结构盘片上的卡扣就会在卡槽内跟随一起沿着轴线移动。

为了达到周期可调的目的，使得每两个慢波结构盘片的移动距离相等，需要对螺纹杆的螺距进行调整。需要将第一个慢波结构盘片对应的螺纹距为设定为M，螺杆转动的角度为θ(单位：弧度)，那么第一个慢波结构轴向移动距离为就应该为L＝θ·M，如果要实现慢波结构周期长度的均匀调节，则第二个慢波结构需轴向移动的距离为2L，第三个慢波结构需轴向移动的距离为3L，……第n个慢波结构需轴向移动的距离为nL。为了实现这一目的，那么需要将第二个慢波结构对应的螺纹距为2M，第三个慢波结构对应的螺纹距为3M，……第n个慢波结构螺纹距为nM。

当螺杆与慢波结构盘片安装完毕后，需要将外圆波导密封起来但是为了保证螺杆在转动过程中不会产生轴向运动，因此需要对于螺杆的一端必须固定在外圆波导上，如果固定连接则会导致螺杆不能转动，因此需要通过轴承将螺杆与外圆波导连接在一起，螺杆在轴承内可以自由转动，但是因为轴承固定在外圆波导上不能移动，因此螺杆在转动的过程中就不会出现沿着轴线运动。

根据实际需要，可以调整慢波结构盘片的数量，示例中选用3片，在操作过程中，根据输出频率点的需要，旋转螺杆一定角度θ(单位：弧度)，三片盘荷波导片各自轴向移动距离为θ·M，2θ·M，3θ·M。使得三片盘荷波导片各自轴向移动距离为L，2L，3L。这样慢波结构周期长度由p变为p+L,实现中心孔盘荷波导周期均匀可调功能。

在阴极与漂移段之间施加一高电压脉冲，阴极发射电子束进入器件慢波结构互作用区，电子束能量转化成微波，以频率为f+△f的微波通过圆锥喇叭天线辐射出去。实现微波频率△f的调节。

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 (5)

1.一种多频可控高功率微波器件装置，其特征在于包括由高功率微波器件、器件慢波结构周期调节机构、绝缘子、微波辐射天线及引导磁体经真空密封连接构成的真空腔；

所述微波辐射天线为圆锥喇叭天线，引导磁体在装置内产生1T的均匀轴向引导磁场；

所述高功率微波器件包括阴极、漂移腔、束波互作用腔及微波输出腔，

所述束波互作用腔由多个带有中心孔的盘荷波导盘片组成均匀周期性慢波结构，带有中心孔的盘荷波导盘片通过螺纹孔与器件慢波结构周期调节机构串接在一起组成盘荷波导周期均匀可调装置，

器件慢波结构周期长度的变化距离与器件慢波结构周期调节机构的旋转角度呈线性关系，器件慢波结构的微波频率通过调节慢波结构周期来实现；

所述盘荷波导周期均匀可调装置包括：

外圆波导和设置在外圆波导内的螺杆和若干个慢波结构盘片，所述若干个慢波结构盘片与外圆波导同轴，螺杆设置在慢波结构盘片与外圆波导之间，且螺杆与外圆波导的轴线平行，

每一个慢波结构盘片的固定连接部上设置有螺纹孔，所述螺杆外表面设置有螺纹，螺杆穿过慢波结构盘片上固定连接部位的螺纹孔，螺纹孔的内螺纹与螺杆的外螺纹啮合；

所述若干个慢波结构盘片间依次成等差间距设置并与螺杆连接；

所述螺杆的一端通过轴承连接到外圆波导上，使得螺杆只能转动不能沿外圆波导轴线运动；

所述慢波结构盘片的数量可调，两个慢波结构盘片之间的距离可调，两个慢波结构盘片与螺杆连接后的间距可调；

其中：所述盘荷波导盘片与慢波结构盘片为同一部件。

2.根据权利要求1所述的一种多频可控高功率微波器件装置，其特征在于从第一个慢波结构盘片依次到最后一个慢波结构盘片，每一个螺纹孔对应的螺杆上的螺纹距不同。

3.根据权利要求2所述的一种多频可控高功率微波器件装置，其特征在于从第一个慢波结构盘片的螺纹孔到最后一个慢波结构盘片的螺纹孔对应螺杆上的螺纹距逐步变大。

4.根据权利要求3所述的一种多频可控高功率微波器件装置，其特征在于每个螺纹孔对应的螺纹距成等差数列，差值为第一个螺纹孔对应的螺纹距。

5.根据权利要求1所述的一种多频可控高功率微波器件装置，其特征在于在相对论电子束驱动下，根据电子束群速度与返波-1次谐波相等的关系，器件慢波结构周期与辐射微波频率的乘积为常量。