CN105529234A - 一种X、Ku波段可调高功率微波源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X、Ku波段可调高功率微波源，通过调节内导体的长度，可以改变器件工作模式，实现工作频率跨X、Ku波段转换。

Description

一种X、Ku波段可调高功率微波源

技术领域

本发明涉及微波源器件技术领域，具体的涉及一种X、Ku波段可调高功率微波源。

背景技术

高功率微波通常是指微波脉冲峰值功率大于100MW，频率在1GHz到300GHz之间的电磁波。从20世纪70年代初出现的第一台高功率微波源以来，由于民用和军事领域广泛的应用需求，高功率微波源技术得到了迅速发展。

频率可调谐是高功率微波源的重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐。电调谐方式在磁控管、回旋管等器件中应用较多，而机械调谐方式在RBWO(RelativisticBackward-WaveOscillator,RBWO)中应用较多。RBWO是一种基于切伦科夫辐射机制且已发展较为成熟的高功率微波源，其利用强流相对论电子束与慢波结构中的返向空间谐波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，该高功率微波源具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，因而受到了广泛重视。

Ku波段(12-18GHz)微波由于具有波长短、频谱范围宽、波束较窄、器件尺寸小等优点，广泛应用于卫星通信、卫星广播，以及国际空间站和航天飞机通信用的跟踪与数据中继卫星中。另外，Ku波段相比S、C波段，频率更高，对Pf2因子的提高具有更大的潜力。因此，对Ku波段微波的研究具有重要的实用价值。

频率调谐RBWO研究方面，主要有以下研究机构开展了机械调频方面的相关工作。

1997年，美国新墨西哥州大学的EdlSchamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBWO【E.Schamiloglu,C.T.Abdallah,G.T.Park,andV.S.Souvalian.ImplementationofaFrequency-agile,HighPowerBackwardWaveOsillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。(下文简称为现有技术1)。为了叙述的方便，将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，外半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂>R₁。截止颈与慢波结构之间是漂移段，是一个内半径为R₄，长度为L₂的圆柱形结构。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最小内半径R₁₃满足R₄>R₁₃>R₅。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁，约为工作波长λ的二分之一。反射段介于慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R₄、长度为L₅的圆柱形结构。微波输出口呈圆台形，圆台左端面半径为R₄，右端面半径为R₆。在该RBWO运行中，阴极产生的相对论电子束与慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。实验中，通过调节截止颈到慢波结构的距离L₂、慢波结构到反射段的距离L₅，得到了半功率点处频率调谐带宽约5％、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、反射段的长度L₅实现对工作频率调节，慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约5％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。

2011年，西北核技术研究所的宋玮等人研究了RBWO的双机械调谐法【WeiSong,XiaoweiZhang,ChanghuaChen,etal.EnhancingFrequencyTuningAbilityofanImprovedRelativisticBackwardWaveOscillator[J].Proc.oftheAsia-PacificMicrowaveConference2011:283.】。(下文简称为现有技术2)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构、微波输出口、螺线管磁场、提取腔组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂>R₁。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R₂，外半径R₇满足R₇>R₂。漂移段是一个半径为R₂、长度为L₂的圆柱形结构。慢波结构由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R₄、最小内半径R₅，长度为L₁，约为工作波长λ的二分之一。提取腔介于慢波结构与微波输出口之间，是一个外半径为R₈、长度为L₄的圆盘形结构。提取腔右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。在该RBWO运行中，阴极产生的相对论电子束与慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。数值仿真中，通过改变前置反射腔至慢波结构的距离L₂、提取腔的宽度L₄，得到了调谐带宽约8％、中心频率9.6GHz、功率效率约33％的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、提取腔的宽度L₄实现对工作频率调节，慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约8％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。

2011年，国防科技大学葛行军等人发明了“紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器”(CN102208315A，2011-10-5)。(下文简称为现有技术3)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆、模式转换器、辐射口和密封板组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂>R₁。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄>R₅>R₂，梯形结构的长度L₁约为工作波长λ的二分之一。内导体是一个半径为R₃的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。收集极为圆筒状，在左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R₁₁和外半径R₁₀根据阴极的内半径R₁来选取，满足R₁₀>R₁>R₁₁，环形凹槽的长度L₈约为工作波长λ的三分之一。收集极右端是外半径为R₉的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器的左端面相连。模式转换器左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构。支撑杆共有两排，第一排支撑杆放在距离收集极左端面为L₁₀的位置，L₁₀>L₈。第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L₁₁约为工作波长λ的四分之一。辐射口的右端为圆筒状，圆筒内半径为R₁₂，R₁₂>R₆。密封板是一个圆盘，利用抽真空时辐射口内外的压力差通过密封槽压在辐射口上。密封板起保持RBWO内部真空环境的效果。该RBWO运行中，阴极产生的电子束与由慢波结构和内导体决定的准TEM模式的电磁波进行束波作用，产生的微波从微波输出口输出。实验中，当内导体半径R₃在0.5-1.75cm范围内改变时，输出微波功率1.15GW，频率在1.65-1.55GHz范围内可调，调谐带宽约6％。该方案通过内导体半径R₃实现对工作频率调节，需要改变内导体径向尺寸，在线机械传动装置设计难度较大，调节方式复杂；只在L波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约6％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄，工作频段较低。

分析上述研究现状不难看出，频率调谐RBWO取得了较大进展，但存在以下不足：

1)调谐方式复杂，通常需要对两种以上结构进行组合调节；

2)调谐带宽较窄，调谐带宽通常小于10％；

3)工作频段较低，通常为X波段以下的低频段。

因此，尽管人们已经开始研究机械调频RBWO，但并没有出现针对X、Ku波段可调的微波源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种X、Ku波段可调高功率微波源，该发明解决了上述现有技术中通常频率调谐RBWO调节方式复杂、调谐带宽较窄、工作频段较低的技术问题。

本发明提供一种X、Ku波段可调高功率微波源，包括依序嵌设于阳极外筒内的截止颈、前置反射腔和慢波结构以及设置在阳极外筒内的阴极座和阴极，还包括用于调节输出微波频率和功率的内导体和收集极，内导体设置于阳极外筒内，内导体的一端在阳极外筒内延伸，另一端固定连接于收集极上；收集极上开设有L形凹槽，L形凹槽为一端敞口的环形槽；内导体的长度为L₆，随着L₆的改变，所输出微波的频率和功率改变。

进一步地，L₆的取值范围为0～11.7cm。

进一步地，L₆在0～8.4cm范围内调节时，输出X波段微波，该波段内的频率调节带宽约为1％；L₆在8.5-11.7cm范围内调节时，输出Ku波段微波，该波段内频率调节带宽约为1％。

进一步地，L形凹槽包括上部槽体和下部槽体，上部槽体的截面宽度小于下部槽体截面的宽度。

进一步地，上部槽体的第一槽内壁半径为R₁₀，第二槽内壁的半径为R₁₁，下部槽体的第三槽内壁半径为R₁₄，满足R₁₄>R₁₀>R₁>R₁₁，其中R₁为阴极的内半径。

进一步地，上部槽体轴向长度L₈为工作波长的0.5-1.5倍；下部槽体的轴向长度L₉为工作波长的0.5-1.5倍。

进一步地，L₈＝L₉＝28mm。

进一步地，慢波结构包括多个依序排布的慢波叶片，慢波叶片的内表面截面为矩形槽。

进一步地，慢波叶片的槽低半径R₄与槽顶半径R₅满足R₄>R₅>R₂，其中R₂为截止颈的内半径。

进一步地，两两慢波叶片的间距L₁为工作波长λ的0.40-0.60倍。

本发明的技术效果：

1、本发明提供X、Ku波段可调高功率微波源通过调节内导体长度，使高功率微波源分别工作在同轴慢波结构的TM₀₁模(对应电场分布见图7)和空心慢波结构的TM₀₁模(对应电场分布见图8)状态，实现微波频率在Ku、X波段之间可调。

2、本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源，在波段内还可以进行频率调节，通过对内导体长度进行调整，在两个波段频率能可实现调节带宽均约为1％的调节。频率随内导体长度的变化趋势见图9，由图9可见，随着L₆的调节所输出的频率发生跃迁，同时从图9中可见，在未发生跨越波段的情况下，所输出的频率仍然可以发生1％左右的调节。在跨波段调节的基础上，进一步增大了调节范围。

3、本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源，仅需改变内导体长度这一个结构参数，即可实现不同波段微波的输出，简化了调节方式，使得该微波源能用于在线(不打开真空室的情况下)对微波频率进行调节。

4、本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源，收集极左端留有L形凹槽，L形凹槽为一端敞口的环形槽，L形凹槽利用敞口处引入电子束，利用另一侧封闭处的内壁收集发散的残余电子束，从而有效降低内壁表面电子束密度，削弱因电子束轰击内壁产生的二次电子对输出微波脉宽的影响，抑制脉冲缩短现象，此外还能通过改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。从图10～11中可见，L形凹槽长度的调节，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。

具体请参考根据本发明的X、Ku波段可调高功率微波源提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其它方面显而易见。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的X波段机械调频RBWO的结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的X波段机械调频RBWO的结构示意图；

图3为背景介绍中现有技术3公开的紧凑型低频段频率可调RBWO的结构示意图；

图4为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的A-A剖视图；

图5为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的A-A剖视立体示意图；

图6是本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的内导体和收集极的主视剖视示意图；

图7为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的Ku波段同轴慢波结构TM₀₁模式电场分布示意图；

图8为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的X波段空心慢波结构TM₀₁模式电场分布示意图；

图9为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的内导体长度L₆对微波频率和功率的影响结果示意图；

图10为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的L形凹槽长度L₈对输出微波效率的影响结果示意图；

图11为本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源优选实施例的L形凹槽长度L₉对输出微波效率的影响结果示意图。

图例说明：

401、阴极座；402、阴极；403、阳极外筒；404、截止颈；405、慢波结构；406、内导体；407、收集极；407a、L形凹槽；407b、下部槽体；408、微波输出口；409、螺线管磁场；410a、第一支撑杆；410b、第二支撑杆；411、前置反射腔。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为背景介绍部分中提到的现有技术1中公开的机械调频RBWO的结构示意图。该论文虽然公开了实验结果，但只给出了如图1所示的结构示意图，并没有完整公开其具体的技术方案。因而仅能根据现有技术1公开的内容，简要介绍该结构的大致连接关系。该结构包括阴极座101'、阴极102'、阳极外筒103'、截止颈104'、漂移段112'、慢波结构105'、反射段113'、微波输出口108'和螺线管磁场109'，整个结构关于中心轴线旋转对称。以下没有详细说明的部件的安装方法，按现有技术进行。阴极座101'一端外接脉冲功率源的内导体，阴极102'是一个厚度仅为0.1mm的薄壁圆筒，外半径R₁'等于电子束的半径，套在阴极座101'的另一端上。阳极外筒103'的一端外接脉冲功率源的外导体。截止颈104'呈圆盘状，内半径为R₂'，R₂'>R₁'。截止颈104'与慢波结构105'之间设有漂移段112'。漂移段112'是一个内半径为R₄'、长度为L₂'的圆柱形结构。慢波结构105'由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片的结构完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄'、最小内半径R₅'与右侧慢波叶片的最小内半径R₁₃'满足R₄'>R₁₃'>R₅'。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁'，约为工作波长λ的二分之一。反射段113'介于慢波结构105'与微波输出口108'之间，是一个内半径为R₄'、长度为L₅'的圆柱形结构。微波输出口108'是一个圆台形结构，圆台左端面半径为R₄'，右端面半径为R₆'。在该RBWO运行中，阴极102'产生的相对论电子束与慢波结构105'决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口108'输出。

实验中，通过调节截止颈104'到慢波结构105'的距离L₂'、慢波结构105'到反射段113'的距离L₅'，得到了半功率点处频率调谐带宽约5％、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段112'的长度L₂'、反射段113'的长度L₅'实现对工作频率调节，需要同时调节2个不同部件的长度，难以准确控制调节量，调节方式复杂；只能实现在X一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约5％的频率调节，调谐频率较小，且无法实现跨波段调节，调节范围较窄。

图2为背景介绍部分中提到的现有技术2中公开的X波段机械调频RBWO结构示意图。该结构包括阴极座201'、阴极202'、阳极外筒203'、截止颈204'、前置反射腔211'、漂移段212'、慢波结构205'、微波输出口208'、螺线管磁场209'、提取腔214'，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座201'一端外接脉冲功率源的内导体，阴极202'是一个壁厚仅为0.1mm的薄壁圆筒，阴极202'的外半径R₁'等于电子束的半径，阴极202'套在阴极座201'的另一端。阳极外筒203'的一端外接脉冲功率源的外导体。截止颈204'呈圆盘状，内半径为R₂'，R₂'>R₁'。前置反射腔211'呈圆盘状，内半径等于截止颈204'的内半径R₂'，外半径R₇'满足R₇'>R₂'。漂移段212'是一个半径为R₂'、长度为L₂'的圆柱形结构。慢波结构205'由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R₄'、最小内半径R₅'，长度为L₁'。其中长度为L₁'约为工作波长λ的二分之一。提取腔214'介于慢波结构205'与微波输出口208'之间，是一个外半径为R₈'、长度为L₄'的圆盘形结构。提取腔214'的一端与阳极外筒203'之间所围成的圆环空间为微波输出口208'。在该RBWO运行中，阴极202'产生的相对论电子束与慢波结构205'决定TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口208'输出。数值仿真中，通过改变前置反射腔211'至慢波结构205'的距离、调整提取腔214'的宽度，得到了调谐带宽约8％、中心频率9.6GHz、功率效率约33％的微波调整结果。

该方案需要通过同时调节漂移段212'的长度L₂'、提取腔214'的宽度L₄'，才能实现对工作频率的调节，该调节方式不但复杂，而且难以准确控制，对各部件的加工精度要求较高。该微波源仅只能在X这一个波段(对应一个工作模式)上实现调谐带宽约8％的频率调节，调节频率范围窄，更无法实现跨波段调节。

图3为背景介绍部分中提到的现有技术3中公开的紧凑型低频段频率可调RBWO结构示意图。该结构包括阴极座301'、阴极302'、阳极外筒303'、截止颈304'、慢波结构305'、内导体306'、收集极307'、微波输出口308'、螺线管磁场309'、支撑杆310'、模式转换器315'、辐射口316'和密封板317'，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极302'是一个壁厚仅为0.1mm的薄壁圆筒，外半径R₁'等于电子束的半径，套在阴极座301'的另一端上。阴极座301'的一端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303'左端外接脉冲功率源的外导体。截止颈304'呈圆盘状，内半径为R₂'，R₂'>R₁'。慢波结构305'由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄'与最小内半径R₅'满足R₄'>R₅'>R₂'，梯形结构的长度L₁'约为工作波长λ的二分之一。内导体306'是一个半径为R₃'的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。收集极307'为圆筒状，在左端面挖有环形凹槽307a'，环形凹槽307a'的内半径R₁₁'和外半径R₁₀'根据阴极302'的内半径R₁'来选取，满足R₁₀'>R₁'>R₁₁'，环形凹槽307a'的长度L₈'约为工作波长λ的三分之一。收集极307'右端是外半径为R₉'的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器315'的左端面相连。模式转换器315'左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构。支撑杆310'共有两排，第一排支撑杆310a'放在距离收集极左端面为L₁₀'的位置，L₁₀'>L₈'。第二排支撑杆310b'与第一排支撑杆310a'之间的距离L₁₁'约为工作波长λ的四分之一。辐射口316'的右端为圆筒状，圆筒内半径为R₁₂'，R₁₂’>R₆‘。密封板317'是一个圆盘，利用抽真空时辐射口内外的压力差通过密封槽压在辐射口上。密封板317'能维持RBWO内部为真空环境。在该RBWO运行中，阴极302'产生的相对论电子束与由慢波结构305'和内导体306'决定的准TEM₁₀模式的电磁波进行束波作用，产生的高功率微波从微波输出口308'输出。

实验中，当内导体的半径R₃'在0.5-1.75cm范围内改变时，输出微波功率1.15GW，微波频率在1.65-1.55GHz范围内可调，调谐带宽约6％。该方案并未看考虑到可以通过调制该方案通过调节内导体306'的长度来实现对频率的调节。而是对内导体306'的半径R₃'调节，从而实现对工作频率调节，整个调频过程中，需要改变内导体的径向尺寸，为实现调节在线机械传动装置的设计制造难度较大，调节方式复杂，为了保持R₃'半径处于该范围内，调整准确度较难控制；而且该装置也仅能实现在L这一个波段(一个工作模式)范围内实现调谐带宽约6％的频率调节，调节范围较窄，工作频段较低，完全无法2个不同波段之间跨波段调节。

参见图4～5，本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源，包括依序嵌设于阳极外筒403内的截止颈404、前置反射腔411和慢波结构405以及设置阳极外筒403内延伸的阴极座401和阴极402，还包括用于调节输出微波频率和功率的内导体406和收集极407，内导体407设置于阳极外筒403内，内导体406的一端在阳极外筒403内延伸，另一端固定连接于收集极407上；收集极407上开设有L形凹槽407a，L形凹槽407a为一端敞口的环形槽；内导体406的长度为L₆，随着L₆的改变，所输出微波的频率和功率改变。通过调节内导体长度L₆，可以改变器件的工作模式，实现工作频率跨X、Ku波段转换，并且还能进行X波段或Ku波段内的频率微调节。从而实现大范围和小范围的波段调节。

本发明提供的微波源通过设置L形凹槽，该L形凹槽利用敞口处引入的电子束，利用另一侧封闭处的内壁收集发散的残余电子束，可以有效降低内壁表面电子束密度，削弱因电子束轰击内壁产生的二次电子对输出微波脉宽的影响，抑制脉冲缩短现象，此外还能通过改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。

本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源，包括阴极座401、阴极402、阳极外筒403、截止颈404、前置反射腔411、慢波结构405、内导体406、收集极407、微波输出口408、螺线管磁场409和支撑杆。整个的X、Ku波段可调高功率微波源关于中心轴线旋转对称。阴极座401的一端外接脉冲功率源的内导体(图中未示出)。阴极座401的另一端上套设有阴极402。阴极座401设置于阳极外筒403内，阳极外筒403的一端外接脉冲功率源的外导体(图中未示出)。截止颈404呈圆盘状，内半径为R₂，R₂>R₁。前置反射腔411呈圆盘状，内半径等于截止颈404内半径R₂，外半径R₇满足R₇>R₂。

优选的，L₆在0～8.4cm范围内调节时，输出X波段微波，该波段内的频率调节带宽约为1％；L₆在8.5-11.7cm范围内调节时，输出Ku波段微波，该波段内频率调节带宽约为1％。通过调节能实现所输出微波的跨波段输出，同时还能在不同波段内进行小范围调节，从而实现在该波段内频率带宽的1％的调节。此处的约为是指在1％

优选的，慢波结构405由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面为周期排布的矩形槽。采用该结构的慢波结构405能实现对不同波段微波的调节。

更优选的，慢波结构405上的单个慢波叶片的槽底半径R₄与最小内半径R₅满足R₄>R₅>R₂，矩形结构的长度L₁一般取值为工作波长λ的0.40-0.60倍。按此设置能实现内导体406和收集极407配合，提高对微波波段调节的准确性。内导体406与慢波结构405同轴。

具体的，在本实施例中约为工作波长λ的二分之一。

截止颈404、前置反射腔411和慢波结构405依序沿轴向紧贴阳极外筒403的内壁嵌设于阳极外筒403的外筒内壁上并固定。螺线管磁场409套设于阳极外筒403的外壁上。

参见图6，内导体406是一个半径为R₃的圆柱体，内导体406一端在阳极外筒403内延伸，另一端通过外螺纹与收集极407相连。例如可以为在收集极407左端面中心部分加工出半径为R₃的孔，内导体406右端由孔穿入收集极407中，在收集极407内部通过螺母固定，通过螺母调节内导体406的长度。本发明所提供微波源通过调节内导体406的延伸端至固定端的长度L₆，对工作频率进行调节。至于L₆的调节，可以通过使内导体406与收集极407的连接方式实现调节，例如内导体406与收集极407可以为螺纹连接，收集极407可以为内部中空，内导体406与收集极407相连接的一端设有伸入收集极407中空腔体的步进电机传动机构，通过步进电机传动机构使内导体406伸出或缩回，从而实现调整。

优选的，L₆的取值范围为0～5λ。通过调节L₆，可以实现输出微波频率跨X、Ku波段可调，并且在每个波段内均具有一定的调节带宽，从而实现了微波源在不同波段内微波可调的目的。内导体406的长度L₆为0-11.7cm，使得调节范围较宽，能仅通过一个器件，即可实现跨X、Ku波段较宽频率范围的调节。

收集极407为圆柱状，收集极407与内导体406相连接的一端与靠近收集极407的最后一个慢波叶片的距离为L₇。收集极407的内开设有L形凹槽407a。L形凹槽407a的截面为“L”字型，绕收集极407的轴线设置的环形凹槽。L形凹槽407a的一面为敞口，槽底设置于收集极407内。L形凹槽407a的上部槽体截面宽度小于下部槽体407b的截面宽度，从而形成类似L字母的槽体结构。

优选的，L形凹槽407a的上部槽体由第一槽内壁和第二槽内内壁围成。第一槽内壁的半径为R₁₁，第二槽内壁的半径为R₁₀。下部槽体与上部槽体具有相同的第一槽内壁，下部槽体的第三槽内壁于第一槽内壁槽围成下部槽体。第三槽内壁的半径为R₁₄。根据阴极的内半径R₁和螺线管磁场409确定的磁场沿轴向的分布来选取，满足R₁₄>R₁₀>R₁>R₁₁。L形凹槽407a的两段长度L₈、L₉可以取值为工作波长λ的0.5-1.5倍。按此取值，可以提高对微波波段的准确调控。在本实施例中均取值为约等于λ。L形凹槽L₈、L₉对束波作用效率的影响见图10～11，可见在L₈＝28mm；L₉＝24cm时，所输出微波效率达到最高。此时输出效果最优。

收集极407与阳极外筒403之间围成的圆环空间为微波输出口408。优选的，收集极407通过支撑杆固定在阳极外筒403的内壁上。支撑杆包括第一支撑杆410a和第二支撑杆410b。第一支撑杆410a和第二支撑杆410b间隔设置于收集极407的外壁上，第一支撑杆410a和第二支撑杆410b均与收集极407的外壁固定连接的同时，另一端与阳极外筒403固定连接。第一支撑杆410a位于收集极407与内导体406相连端面距离为L₁₀的位置处。第二支撑杆410b与第一排支撑杆410a之间的距离为L₁₁约为工作波长的四分之一。

优选的，阴极座401、阳极外筒403、截止颈404、慢波结构405、内导体406、收集极407、支撑杆410均为不锈钢材料，阴极402采用石墨材料，螺线管磁场409采用漆包铜线绕制。

优选的，阴极402是一个壁厚仅为0.1mm的薄壁圆筒，外半径R₁等于电子束的半径。对本发明提供的X、Ku波段可调高功率微波源进行仿真实验：仿真实验时，其它结构尺寸设计为：R₁＝33mm，R₂＝37mm，R₃＝26mm，R₄＝48mm，R₅＝43mm，R₉＝40mm，R₁₀＝36mm，R₁₁＝30mm，R₁₄＝38mm，L₁＝13mm，L₇＝15mm，L₈＝28mm，L₉＝24mm，L₁₀＝55mm，L₁₁＝6mm。

参见图9，可知调节内导体406的长度L₆时，在L₆＝8.4cm时，会发生波段跳变。输出微波的功率则呈现两端高，中间低的情况。

参见图10，可知收集极407的槽体的上部407a的长度L₈对输出微波效率存在影响，随着的L₈增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₈＝28cm时达到最高的输出效率。

参见图11，可知，收集极407的槽体的下部槽体407b的长度L₉对输出微波效率存在影响，随着的L₉增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₉＝24cm时达到最高的输出效率。

由图9～11可知，上述尺寸具有最优的输出微波效率和最高的输出微波功率和频率。

当内导体406的长度L₆在0-8.4cm范围内改变时：参见图8，可知，该微波源输出的微波频率为10.55-10.64GHz(X波段)范围内可调，3dB调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW。

当内导体长度L₆在8.5-11.7cm范围内改变时：参见图7，可知该微波源输出的微波频率在12.51-12.62GHz(Ku波段)范围内可调，3dB调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种X、Ku波段可调高功率微波源，包括依序嵌设于阳极外筒内的截止颈、前置反射腔和慢波结构以及设置在所述阳极外筒内的阴极座和阴极，其特征在于，还包括用于调节输出微波频率和功率的内导体和收集极，所述内导体设置于所述阳极外筒内，所述内导体的一端在所述阳极外筒内延伸，另一端固定连接于所述收集极上；所述收集极上开设有L形凹槽，所述L形凹槽为一端敞口的环形槽；

所述内导体的长度为L₆，随着L₆的改变，所输出微波的频率和功率改变。

2.根据权利要求1所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述L₆的取值范围为0～11.7cm。

3.根据权利要求2所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述L₆在0～8.4cm范围内调节时，输出X波段微波，该波段内的频率调节带宽约为1％；

所述L₆在8.5-11.7cm范围内调节时，输出Ku波段微波，该波段内频率调节带宽约为1％。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述L形凹槽包括上部槽体和下部槽体，所述上部槽体的截面宽度小于所述下部槽体截面的宽度。

5.根据权利要求4所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述上部槽体的第一槽内壁半径为R₁₀，第二槽内壁的半径为R₁₁，所述下部槽体的第三槽内壁半径为R₁₄，满足R₁₄＞R₁₀＞R₁＞R₁₁，其中R₁为阴极的内半径。

6.根据权利要求4或5所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述上部槽体轴向长度L₈为工作波长的0.5-1.5倍；所述下部槽体的轴向长度L₉为工作波长的0.5-1.5倍。

7.根据权利要求6所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述L₈＝L₉＝28mm。

8.根据权利要求7所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述慢波结构包括多个依序排布的慢波叶片，所述慢波叶片的内表面截面为矩形槽。

9.根据权利要求8所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，所述慢波叶片的槽低半径R₄与槽顶半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，其中R₂为截止颈的内半径。

10.根据权利要求9所述的X、Ku波段可调高功率微波源，其特征在于，两两所述慢波叶片的间距L₁为工作波长λ的0.40-0.60倍。