CN105719925A - 一种高频段磁绝缘线振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种微波起振和饱和快、且具有高功率容量的高频段磁绝缘线振荡器。本发明为圆周对称同轴结构，由外筒、渐变扼流腔结构、主慢波结构、提取腔结构、阴极、负载阴极及电子收集极组成。本发明由于采用渐变扼流腔结构和增大第一个互作用腔的间距，使得阴极起始点发射的电子束能掠过第一个腔的表面，微波能够快速起振和饱和；并且本发明还能有效减小射频场，减小慢波结构的射频击穿风险，有效提高了器件的功率容量；本发明还增大阴极长度，能减小阴极平均发射电流密度，有助于提高阴极表面电子发射的均匀性和提高阴极寿命。这些改进对于提高高频段MILO的输出功率和脉宽都有重要的意义。

Description

一种高频段磁绝缘线振荡器

技术领域

本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种微波起振和饱和快、且具有高功率容量的高频段磁绝缘线振荡器。

背景技术

磁绝缘线振荡器(magneticallyinsulatedtransmissionlineoscillator，简称MILO)是一种GW级高功率微波源。与其他微波源相比，MILO因其无需外加导引磁场，具有结构紧凑、重量轻等优点而成为最具发展应用前景的HPM器件之一。

Pf²因子(微波功率P与微波频率f平方的乘积)作为对高功率微波器件性能的一个度量标准，其意义是，从固定尺寸天线发射的微波信号作用在目标上的功率密度正比于该因子。从这个意义上讲，频率的提高甚至比功率的提高更能影响微波源的品质。同时，高功率微波源器件的尺寸大小与微波波长同量级，随着频率的提高，微波的波长缩短，器件的尺寸也会大幅度缩小，这将有利于高功率微波源器件的实际应用。

目前，MILO的研究主要集中在低频段如L、S、C等较低的微波频段，且均已实现了大于1GW的稳定微波输出。近几年来，MILO的研究有向更高频段如X、Ku波段发展的趋势，但总的来说关于高频段MILO的研究还较少，仅停留在简单的粒子模拟和初步实验，还没有人对高频段MILO开展系统充分的研究。在已报道的Ku波段MILO研究中【JieWen,Dai-bingChen,DongWangandFenQin.PreliminaryexperimentalresearchonKu-bandMILO[J].IEEETrans.PlasmaSci.,2013,41(9):2501-2505.】，其实验输出微波功率仅在100MW量级，脉宽小于20ns，存在严重的脉宽缩短问题。在基本结构方面，目前高频段MILO主要沿用低频段MILO的基本结构，仍然采用均匀扼流腔结构和均匀慢波周期结构，仅在整体尺寸上进行了缩小。然而，高频段MILO采用传统低频段MILO的结构会存在一个问题：阴极起始点位置发射的电子束不能掠过主慢波结构第一个腔的表面，这将会使得器件起振和饱和较慢。

MILO的平板电极模型结构如图1所示【郭焱华.C波段磁绝缘线振荡器的理论与实验研究[D]，绵阳：中国工程物理研究院博士学位论文，2005】，从阴极发射出来的单个电子受到阴阳极间的电场E和与E正交的磁场B的作用，其轨迹方程为摆线方程：

$\begin{array}{c}y=R_c(1-{\mathrm{cos\ω}}_{c}t)\\ z=R_c({\mathrm{\ω}}_{c}t-{\mathrm{sin\ω}}_{c}t)\end{array}---\left(1\right)$

其中，为电子回旋半径，ω_c为电子沿阴极表面滚动的角速度，其滚动圆半径即为R_c。

在MILO里，当阴极发射的电子刚好掠过阳极慢波结构表面时，器件能获得最大的束波转换效率，此时为临界状态。而对应临界状态的情况，摆线(单个电子运动轨迹)的每一拱的拱高为阴阳极间距h，且h＝2R_c，拱宽为2π*R_c。半个拱宽即为电子从阴极表面发射到运动到阳极面的轴向移动距离。

对于高频段MILO，其阴阳极间距与低频段MILO的阴阳极间距接近；但是其慢波结构周期却比低频段MILO的慢波结构周期小许多。文献【TaoJiang,JiandeZhang,JuntaoHe,ZhiqiangLi,andJunpuLing.ExperimentalresearchonKu-bandmagneticallyinsulatedtransmissionlineoscillator[J].PhysPlasmas,2015,22,102112.】中提出的Ku波段MILO的阴阳极间距和慢波结构周期分别为1.4cm和0.65cm。因此可以计算得出单个电子运动轨迹的拱宽约4.4cm，半个拱宽约2.2cm，其比相应的慢波结构周期要大得多。由于扼流腔叶片半径要小于慢波结构叶片内半径，因此，阴极起始点位置发射的电子束掠过扼流腔结构后不能掠过主慢波结构的第一个腔的表面，这将会造成器件的微波起振和饱和较慢。而微波源中微波起振和饱和慢会造成输入电脉宽的浪费，使得微波源器件输出微波脉宽较短和能量效率较低。

因此，高频段MILO研究具有重要的现实意义，而针对高频段MILO起振和饱和较慢的问题还有待深入的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前高频段MILO采用与低频段MILO相似的结构(均匀周期慢波结构和均匀扼流腔结构)，而由于高频段MILO的周期较小，使得阴极起始发射点所发射的电子束很难掠过第一个互作用腔表面，而造成微波起振和饱和较慢的问题，提出了一种新型的高频段MILO结构，该MILO结构采用了一种渐变扼流腔结构和增大第一个互作用腔的间距，而使得阴极起始点发射的电子束能掠过第一个腔的表面，使得微波能够快速起振和饱和；并且该MILO结构还能有效减小射频场，能够减小慢波结构的射频击穿风险，有效的提高了器件的功率容量；另外，该MILO结构还增大了阴极长度，能减小阴极平均发射电流密度，有助于提高阴极表面电子发射的均匀性和提高阴极寿命。这些改进对于提高高频段MILO的输出功率和脉宽都有重要的意义。

本发明采用的技术方案为：

一种高频段磁绝缘线振荡器(MILO)，为圆周对称同轴结构，由外筒、渐变扼流腔结构、主慢波结构、提取腔结构、阴极、负载阴极及电子收集极(负载阳极)组成。外筒与渐变扼流腔结构、主慢波结构、提取腔结构、阴极、负载阴极及电子收集极均同轴；外筒左端与脉冲功率源的外筒连接，外筒右端与模式转换器的外筒连接；阴极左端与外筒左端对齐，连接脉冲功率源的高压内筒；阴极右端与负载阴极左端相接；扼流腔结构外侧、主慢波结构外侧及提取腔结构外侧均与外筒内壁紧密结合；电子收集极右端与外筒右端对齐，连接模式转换器内筒；

所述外筒的轴向长度为l₀，内半径为R_a，外半径为R_a1，R_a<R_a1；

所述渐变扼流腔结构由第一扼流腔叶片、第二扼流腔叶片及其与外筒形成的空腔组成，第一扼流腔叶片的内半径为R_e1，第二扼流腔叶片的内半径为R_e2，R_e1<R_e2，第一扼流腔叶片的左侧端面与外筒左端的轴向距离为l₈；本发明将第一扼流腔叶片的内半径R_e1设计得比第二扼流腔叶片的内半径R_e2小，这样第一扼流腔叶片离阴极距离近，电场较大，有助于拉近阴极起始点发射的电子束，使其更靠近主慢波结构的表面；将第二扼流腔叶片的内半径R_e2设计得较大，使得阴极起始点发射的电子束能很好的掠过第二扼流腔叶片而更靠近主慢波结构的第一个互作用腔的表面；

所述主慢波结构由N个慢波叶片、各慢波叶片间形成的空腔及第一个慢波叶片与扼流腔结构的第二扼流腔叶片形成的空腔(第一个互作用腔)组成，N≥6，所述N个慢波叶片具有相同的内半径R_in；

所述提取腔结构由M个提取腔叶片、提取腔叶片间形成的空腔及第一个提取腔叶片与主慢波结构的最后一个慢波叶片形成的空腔组成，N≥M≥2，M个提取腔叶片分别取不同内半径R_d1、R_d2、R_d3、…、R_dM，且满足关系R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；

所述渐变扼流腔结构、主慢波结构及提取腔结构中所有叶片的外半径相同，均等于外筒的内半径R_a，叶片厚度均为w，所有叶片的内侧均倒角，倒角半径为R_r，R_r<0.5w；除了主慢波结构的第一个互作用腔的两个叶片之间的间距为d外，其余叶片间的间距均为d₁，满足关系：d>d₁>w，所有叶片的内半径满足关系：R_e1<R_e2<R_in<R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；本发明主慢波结构的第一个互作用腔的间距d设计得较大，使得阴极起始点发射的电子束能掠过主慢波结构的第一个互作用腔表面，使微波起振和饱和更快；

所述阴极由两段半径分别为R_u和R_c的圆柱体及一段圆台组成，10mm<R_u<R_c；左端半径为R_u的圆柱体的轴向长度为l₁，右端半径为R_c的圆柱体的轴向长度为l₃，圆柱侧面为电子发射面；中间圆台段为过渡段，圆台顶面半径为R_u，圆台底面的半径为R_c，圆台的轴向长度为l₂,，l₃>l₂，右端半径为R_c的圆柱体与圆台连接处称为阴极起始点51；

所述负载阴极为一段轴向长度为l₄，半径为R_x的圆柱体，10mm<R_x<R_c，负载阴极左端连接阴极右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面；

所述电子收集极为在一个大的圆柱体中间挖出一个小圆柱体的结构，所述大圆柱体的半径为R_s1，R_s1<R_in-2mm，轴向长度为l₆，所述小圆柱体的半径为R_s，R_s>R_x+10mm，R_s>R_c，2mm<R_s1-R_s<4mm，轴向长度l₇，l₇<l₆，小圆柱体的底部与负载阴极右侧端面的轴向间距为l₅，l₅>20mm，l₄+l₅-l₇>10mm，l₀＝l₁+l₂+l₃+l₄+l₅+l₆-l₇。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)本发明高频段MILO采用渐变扼流腔结构，第一扼流腔叶片内半径R_e1更小，离阴极距离近，电场较大，对阴极起始点发射的电子束起到一个向慢波结构拉扯的作用，使其更靠近主慢波结构表面；第二扼流腔叶片内半径R_e2较大，使得阴极起始点发射的电子束能很好的掠过第二扼流腔叶片而更靠近主慢波结构的第一个互作用腔的表面。本发明高频段MILO通过增大主慢波结构的第一个互作用腔的间距，使得阴极起始点发射的电子束能掠过主慢波结构的第一个互作用腔表面，使微波起振和饱和更快。

(2)本发明高频段MILO的第一个互作用腔的间距增大，相应的阴极长度也得到增大，使得阴极电流发射密度减小，阴极电子发射更均匀，阴极寿命更长。

(3)本发明高频段MILO的第一个互作用腔的间距增大，使得整个场分布空间增大，降低了主慢波结构的射频场，减小了射频击穿的风险，提高了器件的功率容量。

附图说明

图1为MILO的平板结构模型；

图2为本发明高频段MILO的结构图(纵剖面)；

图3为单个叶片结构图：(a)单个叶片三维立体图，(b)单个叶片的截面图；

图4为国防科技大学设计的高频段Ku波段MILO的电子分布图；

图5为国防科技大学设计的高频段Ku波段MILO的输出微波功率图。

图6为采用传统结构设计的Ku波段MILO的电子分布图；

图7为采用传统结构设计的Ku波段MILO的输出微波功率图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明。

图2为本发明一种高频段磁绝缘线振荡器(MILO)的纵剖面图，为了描述方便，定义图2中Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。

本发明所述高频段磁绝缘线振荡器(MILO)为圆周对称同轴结构，由外筒1、渐变扼流腔结构2、主慢波结构3、提取腔结构4、阴极5、负载阴极6及电子收集极(负载阳极)7组成。外筒1与渐变扼流腔结构2、主慢波结构3、提取腔结构4、阴极5、负载阴极6及电子收集极7均同轴；外筒1的左端与脉冲功率源的外筒连接，外筒1的右端与模式转换器的外筒连接；阴极5的左端与外筒1的左端对齐，连接脉冲功率源的高压内筒；阴极5的右端与负载阴极6的左端连接；渐变扼流腔结构2的外侧、主慢波结构3的外侧及提取腔结构4的外侧均与外筒1的内壁紧密结合；电子收集极7的右端与外筒1的右端对齐，连接模式转换器内筒；

所述外筒1的轴向长度为l₀，内半径为R_a，外半径为R_a1，R_a<R_a1；

所述渐变扼流腔结构2由第一扼流腔叶片21、第二扼流腔叶片22及其与外筒形成的空腔组成，第一扼流腔叶片21的内半径为R_e1，第二扼流腔叶片22的内半径为R_e2，R_e1<R_e2，第一扼流腔叶片21的左侧端面与外筒1的左侧端面的轴向距离为l₈；本发明将第一扼流腔叶片21的内半径R_e1设计得比第二扼流腔叶片22的内半径R_e2小，这样第一扼流腔叶片21离阴极距离近，电场较大，有助于拉近阴极起始点51发射的电子束，使其更靠近主慢波结构3的表面；将第二扼流腔叶片22的内半径R_e2设计得较大，使得阴极起始点51发射的电子束能很好的掠过第二扼流腔叶片22而更靠近主慢波结构3的第一个互作用腔31的表面；

所述主慢波结构3由N个慢波叶片、各慢波叶片间形成的空腔及第一个慢波叶片与扼流腔结构2的第二扼流腔叶片22形成的空腔(第一个互作用腔31)组成，N≥6，所述N个慢波叶片具有相同的内半径R_in；

所述提取腔结构4由M个提取腔叶片41、42、43、…、4M，提取腔叶片间形成的空腔及第一个提取腔叶片41与主慢波结构3的最后一个慢波叶片形成的空腔组成，N≥M≥2，M个提取腔叶片41、42、43、…、4M分别取不同的内半径R_d1、R_d2、R_d3、…、R_dM，且满足关系R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；

图3所示为单个叶片的三维图及截面放大图。所述渐变扼流腔结构2、主慢波结构3及提取腔结构4中所有叶片的外半径相同，均等于外筒1的内半径R_a，叶片厚度均为w，所有叶片的内侧均倒角，倒角半径为R_r，R_r<0.5w；除了主慢波结构3的第一个互作用腔31的两个叶片之间的间距为d外，其余叶片间的间距均为d₁，满足关系：d>d₁>w，所有叶片的内半径满足关系：R_e1<R_e2<R_in<R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；本发明主慢波结构3的第一个互作用腔31的间距d设计得较大，使得阴极起始点51发射的电子束能掠过主慢波结构3的第一个互作用腔31的表面，使微波起振和饱和更快；

所述阴极5由两段半径分别为R_u和R_c的圆柱体及一段圆台组成，10mm<R_u<R_c；左端半径为R_u的圆柱体的轴向长度为l₁，右端半径为R_c的圆柱体的轴向长度为l₃，圆柱侧面为电子发射面；中间圆台段为过渡段，圆台顶面半径为R_u，圆台底面半径为R_c，圆台的轴向长度为l₂，l₃>l₂，右端半径为R_c的圆柱体与圆台连接处称为阴极起始点51；

所述负载阴极6为一段轴向长度为l₄，半径为R_x的圆柱体，10mm<R_x<R_c，负载阴极6的左端连接阴极5的右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面；

所述电子收集极7为在一个大的圆柱体中间挖出一个小圆柱体的结构，所述大圆柱体的半径为R_s1，R_s1<R_in-2mm，轴向长度为l₆，所述小圆柱体的半径为R_s，R_s>R_x+10mm，R_s>R_c，2mm<R_s1-R_s<4mm，轴向长度l₇，l₇<l₆，小圆柱体的底部与负载阴极6右侧端面的轴向间距为l₅,l₅>20mm，l₄+l₅-l₇>10mm，l₀＝l₁+l₂+l₃+l₄+l₅+l₆-l₇。

通过以上设计，渐变扼流腔结构2对阴极5的阴极起始点51发射的电子束起到一个径向拉扯的作用，使得电子束更靠近主慢波结构3的表面，通过增大主慢波结构3的第一个互作用腔31的间距d，使得阴极5的阴极起始点51发射的电子束能掠过第一个互作用腔31的表面，使得微波能够快速起振和饱和；由于增大了第一个互作用腔31的间距d，阴极5的轴向长度l₃也得到相应增大，使得阴极电流发射密度减小，使阴极5发射电子束更均匀，且能提高阴极5的寿命；同样由于主慢波结构3的第一个互作用腔31的间距d增大，主慢波结构3的场分布空间也得到增大，射频场减小，减小了射频击穿风险，提高了器件的功率容量。

国防科技大学按照以上设计方案设计了一种Ku波段磁绝缘线振荡器(MILO)，所述MILO的工作频率为12.3GHz，表1和表2为该MILO的具体结构参数，其中主慢波结构取7个慢波叶片，提取腔结构取3个提取腔叶片(即N＝7，M＝3)：

表1.国防科技大学设计的Ku波段MILO的径向结构参数

表2.国防科技大学设计的Ku波段MILO的轴向结构参数

该Ku波段MILO的典型粒子模拟结果为：在工作电压为474kV的条件下，该Ku波段MILO的微波输出功率为1.69GW，频率为12.3GHz，微波起振时间为3.5ns，饱和时间为7.5ns。图4为该MILO的电子分布图，图5为该MILO的微波输出功率波形。

而采用传统结构(均匀扼流腔结构和均匀周期慢波结构)设计的Ku波段MILO的粒子模拟结果为：在工作电压474kV的条件下，得到微波输出功率约1.65GW，频率12.3GHz，微波起振时间为6ns，饱和时间为13ns。图6为其相应的电子分布图，图7为其相应的微波输出功率波形。与采用传统结构设计的Ku波段MILO相比，按本发明设计的Ku波段MILO的微波起振和饱和时间分别提高了2.5ns和7.5ns，功率也略有提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高频段磁绝缘线振荡器，其特征在于：所述高频段磁绝缘线振荡器为圆周对称同轴结构，由外筒(1)、渐变扼流腔结构(2)、主慢波结构(3)、提取腔结构(4)、阴极(5)、负载阴极(6)及电子收集极(7)组成；外筒(1)与渐变扼流腔结构(2)、主慢波结构(3)、提取腔结构(4)、阴极(5)、负载阴极(6)及电子收集极(7)均同轴；外筒(1)的左端与脉冲功率源的外筒连接，外筒(1)的右端与模式转换器的外筒连接；阴极(5)的左端与外筒(1)的左端对齐，连接脉冲功率源的高压内筒；阴极(5)的右端与负载阴极(6)的左端连接；渐变扼流腔结构(2)的外侧、主慢波结构(3)的外侧及提取腔结构(4)的外侧均与外筒(1)的内壁紧密结合；电子收集极(7)的右端与外筒(1)的右端对齐，连接模式转换器内筒；

所述外筒(1)的轴向长度为l₀，内半径为R_a，外半径为R_a1，R_a<R_a1；

所述渐变扼流腔结构(2)由第一扼流腔叶片(21)、第二扼流腔叶片(22)及其与外筒形成的空腔组成，第一扼流腔叶片(21)的内半径为R_e1，第二扼流腔叶片(22)的内半径为R_e2，R_e1<R_e2，第一扼流腔叶片(21)的左侧端面与外筒(1)的左侧端面的轴向距离为l₈；

所述主慢波结构(3)由N个慢波叶片、各慢波叶片间形成的空腔及第一个慢波叶片与扼流腔结构(2)的第二扼流腔叶片(22)形成的第一个互作用腔(31)组成，N≥6，所述N个慢波叶片具有相同的内半径R_in；

所述提取腔结构(4)由M个提取腔叶片(41、42、43、…、4M)，提取腔叶片间形成的空腔及第一个提取腔叶片(41)与主慢波结构(3)的最后一个慢波叶片形成的空腔组成，N≥M≥2，M个提取腔叶片(41、42、43、…、4M)分别取不同的内半径R_d1、R_d2、R_d3、…、R_dM，且满足关系R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；

所述渐变扼流腔结构(2)、主慢波结构(3)及提取腔结构(4)中所有叶片的外半径相同，均等于外筒(1)的内半径R_a，叶片厚度均为w，所有叶片的内侧均倒角，倒角半径为R_r，R_r<0.5w；除了主慢波结构(3)的第一个互作用腔(31)的两个叶片之间的间距为d外，其余叶片间的间距均为d₁，满足关系：d>d₁>w，所有叶片的内半径满足关系：R_e1<R_e2<R_in<R_d1<R_d2<R_d3<…<R_dM；

所述阴极(5)由两段半径分别为R_u和R_c的圆柱体及一段圆台组成，10mm<R_u<R_c；左端半径为R_u的圆柱体的轴向长度为l₁，右端半径为R_c的圆柱体的轴向长度为l₃，圆柱侧面为电子发射面；中间圆台段为过渡段，圆台顶面半径为R_u，圆台底面半径为R_c，圆台的轴向长度为l₂，l₃>l₂，右端半径为R_c的圆柱体与圆台连接处称为阴极起始点(51)；

所述负载阴极(6)为一段轴向长度为l₄，半径为R_x的圆柱体，10mm<R_x<R_c，负载阴极(6)的左端连接阴极(5)的右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面；

所述电子收集极(7)为在一个大的圆柱体中间挖出一个小圆柱体的结构，所述大圆柱体的半径为R_s1，R_s1<R_in-2mm，轴向长度为l₆，所述小圆柱体的半径为R_s，R_s>R_x+10mm，R_s>R_c，2mm<R_s1-R_s<4mm，轴向长度l₇，l₇<l₆，小圆柱体的底部与负载阴极(6)右侧端面的轴向间距为l₅,l₅>20mm，l₄+l₅-l₇>10mm，l₀＝l₁+l₂+l₃+l₄+l₅+l₆-l₇。

2.根据权利要求1所述高频段磁绝缘线振荡器，其特征在于：所述高频段磁绝缘线振荡器的具体结构参数如下：N＝7，M＝3，R_u＝20mm，R_c＝30，R_x＝20，R_a＝50，R_a1＝52，R_e1＝44，R_e2＝45，R_in＝46，R_d1＝47，R_d2＝48，R_d3＝49，R_s＝36，R_s1＝39，R_r＝1，l₀＝160，l₁＝20，l₂＝10，l₃＝40，l₄＝50，l₅＝30，l₆＝70，l₇＝60，l₈＝32，d＝10，d₁＝4，w＝3。