CN105869973B - 轴向输出圆极化te11同轴波导模式的紧凑型磁控管 - Google Patents

轴向输出圆极化te11同轴波导模式的紧凑型磁控管 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种可以直接输出较为纯净的圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管。所述磁控管基于全腔轴向提取技术，通过对谐振腔结构的互作用区和非互作用区的设计，提取腔结构的设计，同轴输出结构的设计以及外加磁场系统的设计，既可以直接输出较为纯净的圆极化TE11同轴波导模式，且可以较为容易地实现和控制该波导模式旋转方向的反转，还可以直接输出较为纯净的TEM同轴波导模式。

Description

轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管
技术领域
本发明属于微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种既可以直接输出较为纯净的圆极化TE11同轴波导模式，且可以较为容易地实现和控制该波导模式旋转方向的反转，还可以直接输出较为纯净的TEM同轴波导模式的紧凑型磁控管。
背景技术
无论是线极化还是圆极化，在远场具有准高斯分布的微波在民用和军用领域都有着极其广泛的应用。为了高效地获得这种微波，发射天线通常需要直接馈入TE11模式或者TEM模式。尤其是圆极化TE11模式，它对于发射天线辐射圆极化的准高斯分布的微波具有极其重要的作用。至今为止，在不利用模式转换器的情况下，虽然各种结构和原理的微波源能在输出波导中产生各种不同的波导模式，但是在已有的文献报道中很难见到一种能直接输出圆极化TE11模式的微波源。
磁控管是一种能产生不同波导模式的微波源，例如圆波导中的TE01，TE11，TE21，TE31，或TE41模式，矩形波导中的TE10模式，同轴波导中的TEM模式，等等。在2012年，BradW.Hoff等人基于全腔轴向提取技术模拟研究了一种能输出TEM模式的磁控管。该磁控管采用6个谐振腔并工作在π模上，在1.025GHz的工作频率上获得了功率转换效率高于55％的～100兆瓦级的高功率微波输出【B.W.Hoff,A.D.Greenwood,P.J.Mardahl,andM.D.Haworth.All Cavity-Magnetron Axial Extraction Technique[J].IEEETrans.Plasma Sci.,vol.40,no.11,p.3046,Nov.2012.】。这种能直接产生TEM模式微波的能力，加上磁控管既有的高功率，高效率，高重复频率运行以及宽范围频率调谐的特点，使得磁控管与其他微波源相比更具有吸引力和竞争力。为了进一步探索和挖掘具有全腔轴向提取技术的磁控管的性能潜力，满足微波更高的应用需求，本发明提出了一种能直接轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前微波应用对圆极化TE11模式馈源的迫切需求的问题，和现有微波源难以直接输出圆极化TE11模式的问题，提出了一种轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管。该磁控管基于全腔轴向提取技术，通过对谐振腔结构的互作用区和非互作用区的设计，提取腔结构的设计，同轴输出结构的设计以及外加磁场系统的设计，既可以直接输出较为纯净的圆极化TE11同轴波导模式，且可以较为容易地实现和控制该波导模式旋转方向的反转，还可以直接输出较为纯净的TEM同轴波导模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管，由同轴输入结构、谐振腔结构、提取腔结构、同轴输出结构和外加磁场系统组成。为了描述方便，定义Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。同轴输入结构轴向右接谐振腔结构，谐振腔结构轴向右接提取腔结构，提取腔结构轴向右接同轴输出结构，外加磁场系统安装在同轴输入结构和谐振腔结构的外围圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合。
所述同轴输入结构由同轴输入外筒，同轴输入外导体和阴极连接杆组成。同轴输入外筒，同轴输入外导体和阴极连接杆三者的左端面平齐。同轴输入外筒和阴极连接杆之间的腔构成同轴输入腔。
所述谐振腔结构由互作用区的谐振腔结构和非互作用区的谐振腔结构组成。所述互作用区的谐振腔结构由互作用区谐振腔外筒，互作用区阳极和互作用区阴极组成。所述互作用区谐振腔外筒轴向连接在同轴输入外筒的右端。所述互作用区阳极由2N(其中N＝3，4，5，6，7，8，9，10均可)个沿互作用区谐振腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成。互作用区阳极与互作用区谐振腔外筒的左右端面平齐。互作用区阳极金属块之间的腔构成互作用区谐振腔。所述互作用区阴极轴向连接在所述阴极连接杆的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上。所述非互作用区的谐振腔结构由非互作用区谐振腔外筒，非互作用区阳极和非互作用区阴极组成。所述非互作用区谐振腔外筒轴向连接在互作用区谐振腔外筒的右端。所述非互作用区阳极由2N个沿非互作用区谐振腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成。非互作用区阳极与非互作用区谐振腔外筒的左右端面平齐。非互作用区阳极金属块之间的腔构成非互作用区谐振腔。所述非互作用区阴极轴向连接在所述互作用区阴极的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上。
所述提取腔结构由耦合腔，前段提取腔，中段提取腔和后段提取腔组成。所述耦合腔由2N个沿非互作用区谐振腔外筒(即耦合筒)内壁圆周角向周期分布的耦合口构成。耦合腔的右端面与耦合筒的右端面平齐。所述前段提取腔由前段提取腔外筒，提取腔左端板，前段提取腔隔板和耦合筒构成。前段提取腔的右端面与耦合筒的右端面平齐。所述提取腔左端板轴向连接在前段提取腔外筒的左端。所述前段提取腔隔板，由N个沿前段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成。前段提取腔外筒，前段提取腔隔板和耦合筒三者的右端面平齐。所述中段提取腔由中段提取腔外筒，中段提取腔隔板和中段提取腔内筒构成。所述中段提取腔，其内径由左端线性渐变到右端，外径由左端线性渐变到右端，角向宽度由左端线性渐变到右端，且中段提取腔的左端面与前段提取腔的右端面平齐。所述中段提取腔外筒轴向连接在前段提取腔外筒的右端，其内径由左端线性渐变到右端。所述中段提取腔隔板轴向连接在前段提取腔隔板的右端，由N个沿中段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径由左端线性渐变到右端，外径由左端线性渐变到右端，角向宽度由左端线性渐变到右端。所述中段提取腔内筒轴向连接在耦合筒的右端，其外径由左端线性渐变到右端。中段提取腔外筒，中段提取腔隔板和中段提取腔内筒三者的左右端面平齐。所述后段提取腔由后段提取腔外筒，后段提取腔隔板和后段提取腔内筒构成。后段提取腔的左端面与中段提取腔的右端面平齐。所述后段提取腔外筒轴向连接在中段提取腔外筒的右端。所述后段提取腔隔板轴向连接在中段提取腔隔板的右端，由N个沿后段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成。所述后段提取腔内筒轴向连接在中段提取腔内筒的右端。后段提取腔外筒，后段提取腔隔板和后段提取腔内筒三者的左右端面平齐。
所述同轴输出结构由同轴输出外筒和同轴输出内筒构成。所述同轴输出外筒轴向连接在后段提取腔外筒的右端。所述同轴输出内筒轴向连接在后段提取腔内筒的右端。同轴输出外筒和同轴输出内筒的左右端面平齐。同轴输出外筒和同轴输出内筒之间的腔构成同轴输出腔。
所述外加磁场系统由一组螺线管构成。所述螺线管安装在同轴输入结构和谐振腔结构的外围圆柱空间区域。外加磁场系统的轴向中心面与互作用区阳极的轴向中心面重合。
通过以上设计，具有2N个谐振腔的磁控管在不同的结构参数和工作参数(工作电压和轴向磁场)的条件下，可在互作用区阳极和互作用区阴极之间的空间区域产生不同数目的电子轮辐，在同轴输出腔右端得到不同的波导模式。其中，结构参数通过模拟软件优化来确定，工作电压通过对同轴输入结构加载电压来获得，轴向磁场通过对外加磁场系统中的螺线管通以一定的电流来获得。当磁控管产生N-1个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为(N-1/N)π模，在同轴输出腔右端可得到圆极化TE11同轴波导模式。当磁控管产生N个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为π模，在同轴输出腔右端可得到TEM同轴波导模式。当磁控管产生N+1个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为(N+1/N)π模，在同轴输出腔右端可得到圆极化TE11同轴波导模式。
采用本发明可以达到以下技术效果：
(1)相比较于文献【B.W.Hoff,A.D.Greenwood,P.J.Mardahl,andM.D.Haworth.All Cavity-Magnetron Axial Extraction Technique[J].IEEETrans.Plasma Sci.,vol.40,no.11,p.3046,Nov.2012.】，由于本发明引入了非互作用区谐振腔结构，将提取腔设置在非互作用区谐振腔结构外围区域，使得外加磁场系统可以较小的径向尺寸安装在互作用区谐振腔结构外围区域，整个系统更加紧凑化、小型化。
(2)相比较于文献【B.W.Hoff,A.D.Greenwood,P.J.Mardahl,andM.D.Haworth.All Cavity-Magnetron Axial Extraction Technique[J].IEEETrans.Plasma Sci.,vol.40,no.11,p.3046,Nov.2012.】，由于本发明引入了非互作用区谐振腔结构，将提取腔设置在非互作用区谐振腔结构外围区域，使得谐振腔结构产生的微波的工作频率，输出功率，转换效率等对互作用区结构以外的结构参数扰动的敏感性降低，工作性能更具有鲁棒性。
(3)相比较于其他微波源，本发明可以直接输出较为纯净的圆极化TE11同轴波导模式，且可以较为容易地实现和控制该波导模式旋转方向的反转。
(4)本发明通过调整个别结构参数和电压磁场参数，还可以直接输出较为纯净的TEM同轴波导模式。
附图说明
图1为本发明轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管的整体纵剖面图；
图2为磁控管结构的纵剖面图；
图3为同轴输入结构的组成图：(a)同轴输入结构的立体图，(b)同轴输入结构的Sa1横截面图，(c)同轴输入结构的Sa2横截面图；
图4为谐振腔结构的组成图：(a)谐振腔结构的立体图，(b)谐振腔结构的Sb1横截面图，(c)谐振腔结构的Sb2横截面图；
图5为提取腔结构和同轴输出结构的组成图：(a)提取腔结构和同轴输出结构的立体图，(b)提取腔结构的Sc1横截面图，(c)提取腔结构的Sc2横截面图，(d)提取腔结构的Sc3横截面图，(e)提取腔结构的Sc4横截面图，(f)同轴输出结构的Sd1横截面图；
图6为外加磁场系统的组成图：(a)外加磁场系统的立体图，(b)外加磁场系统的纵剖面图。
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。
轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管如图1所示，由同轴输入结构A、谐振腔结构B、提取腔结构C、同轴输出结构D和外加磁场系统E组成。为了描述方便，定义图1中Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。同轴输入结构A轴向右接谐振腔结构B，谐振腔结构B轴向右接提取腔结构C，提取腔结构C轴向右接同轴输出结构D，外加磁场系统E安装在同轴输入结构A和谐振腔结构B的外围圆柱空间区域，且它们的轴向中心线均重合。
所述同轴输入结构A如图2和图3所示，由同轴输入外筒A0，同轴输入外导体A1和阴极连接杆A2组成。所述同轴输入外筒A0内径为Ra3，轴向长度为Ha1+Ha2。所述同轴输入外导体A1内径为Ra2，外径为Ra3，轴向长度为Ha1。所述阴极连接杆A2半径为Ra1，轴向长度为Ha1+Ha2。同轴输入外筒A0，同轴输入外导体A1和阴极连接杆A2三者的左端面平齐。同轴输入外筒A0和阴极连接杆A2之间的腔构成同轴输入腔A3。
上述参数之间满足下述关系：0<Ra1<Ra2<Ra3。
所述谐振腔结构B如图2和图4所示，由互作用区的谐振腔结构和非互作用区的谐振腔结构组成。所述互作用区的谐振腔结构由互作用区谐振腔外筒B0a，互作用区阳极B1和互作用区阴极B2组成。所述互作用区谐振腔外筒B0a轴向连接在同轴输入外筒A0的右端，其内径为Rb3，轴向长度为Hb1。所述互作用区阳极B1由2N(其中N＝3，4，5，6，7，8，9，10均可)个沿互作用区谐振腔外筒B0a内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径为Rb2，外径为Rb3，角向宽度为180°/N-θb1，轴向长度为Hb1。互作用区阳极B1与互作用区谐振腔外筒B0a的左右端面平齐。互作用区阳极金属块之间的腔构成互作用区谐振腔B3，其角向宽度为θb1。所述互作用区阴极B2轴向连接在所述阴极连接杆A2的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上，其半径为Rb1，轴向长度为Hb1。
所述非互作用区的谐振腔结构由非互作用区谐振腔外筒B0b，非互作用区阳极B4和非互作用区阴极B5组成。所述非互作用区谐振腔外筒B0b轴向连接在互作用区谐振腔外筒B0a的右端，其内径为Rb6，轴向长度为Hb2。所述非互作用区阳极B4由2N个沿非互作用区谐振腔外筒B0b内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径为Rb5，外径为Rb6，角向宽度为180°/N-θb2，轴向长度为Hb2。非互作用区阳极B4与非互作用区谐振腔外筒B0b的左右端面平齐。非互作用区阳极金属块之间的腔构成非互作用区谐振腔B6，其角向宽度为θb2。所述非互作用区阴极B5轴向连接在所述互作用区阴极B2的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上，其半径为Rb4，轴向长度为Hb3。
上述参数之间满足下述关系：0<Rb1<Rb2<Rb3，0<Rb4<Rb5<Rb6，0<θb1<180°/N，0<θb2<180°/N。
所述提取腔结构C如图2和图5(a)-(e)所示，由耦合腔C1，前段提取腔C5，中段提取腔C8和后段提取腔C11组成。
所述耦合腔C1由2N个沿非互作用区谐振腔外筒B0b(即耦合筒C4)内壁圆周角向周期分布的耦合口构成，其内径为Rb6，外径为Rc1，角向宽度为θc1，轴向长度为Hc2。耦合腔C1的右端面与耦合筒C4的右端面平齐。
所述前段提取腔C5由前段提取腔外筒C0a，提取腔左端板C2，前段提取腔隔板C3和耦合筒C4构成。所述前段提取腔C5，其内径为Rc1，外径为Rc2，角向宽度为θc2，轴向长度为Hc1+Hc2，且前段提取腔C5的右端面与耦合筒C4的右端面平齐。所述前段提取腔外筒C0a，其内径为Rc2，轴向长度为Hc1+Hc2。所述提取腔左端板C2轴向连接在前段提取腔外筒C0a的左端，其内径为Rc1，外径为Rc2。所述前段提取腔隔板C3，由N个沿前段提取腔外筒C0a内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径为Rc1，外径为Rc2，角向宽度为360°/N-θc2，轴向长度为Hc1+Hc2。前段提取腔外筒C0a，前段提取腔隔板C3和耦合筒C4三者的右端面平齐。
所述中段提取腔C8由中段提取腔外筒C0b，中段提取腔隔板C6和中段提取腔内筒C7构成。所述中段提取腔C8，其内径由左端Rc1线性渐变到右端Rc3，外径由左端Rc2线性渐变到右端Rc4，角向宽度由左端θc2线性渐变到右端θc3，轴向长度为Hc3，且中段提取腔C8的左端面与前段提取腔C5的右端面平齐。所述中段提取腔外筒C0b轴向连接在前段提取腔外筒C0a的右端，其内径由左端Rc2线性渐变到右端Rc4，轴向长度为Hc3。所述中段提取腔隔板C6轴向连接在前段提取腔隔板C3的右端，由N个沿中段提取腔外筒C0b内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径由左端Rc1线性渐变到右端Rc3，外径由左端Rc2线性渐变到右端Rc4，角向宽度由左端360°/N-θc2线性渐变到右端360°/N-θc3，轴向长度为Hc3。所述中段提取腔内筒C7轴向连接在耦合筒C4的右端，其外径由左端Rc1线性渐变到右端Rc3，轴向长度为Hc3。中段提取腔外筒C0b，中段提取腔隔板C6和中段提取腔内筒C7三者的左右端面平齐。
所述后段提取腔C11由后段提取腔外筒C0c，后段提取腔隔板C9和后段提取腔内筒C10构成。所述后段提取腔C11，其内径为Rc3，外径为Rc4，角向宽度为θc3，轴向长度为Hc4，且后段提取腔C11的左端面与中段提取腔C8的右端面平齐。所述后段提取腔外筒C0c轴向连接在中段提取腔外筒C0b的右端，其内径为Rc4，轴向长度为Hc4。所述后段提取腔隔板C9轴向连接在中段提取腔隔板C6的右端，由N个沿后段提取腔外筒C0c内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径为Rc3，外径为Rc4，角向宽度为360°/N-θc3，轴向长度为Hc4。所述后段提取腔内筒C10轴向连接在中段提取腔内筒C7的右端，其外径为Rc3，轴向长度为Hc4。后段提取腔外筒C0c，后段提取腔隔板C9和后段提取腔内筒C10三者的左右端面平齐。
上述参数之间满足下述关系：0<Rb6<Rc1<Rc2，0<Rc3<Rc4，0<θc1≤θb2<0.5θc2≤0.5θc3，0<Hc2≤Hb2。
所述同轴输出结构D如图2，图5(a)和图5(f)所示，由同轴输出外筒D0和同轴输出内筒D1构成。所述同轴输出外筒D0轴向连接在后段提取腔外筒C0c的右端，其内径为Rd2，轴向长度为Hd1。所述同轴输出内筒D1轴向连接在后段提取腔内筒C10的右端，其外径为Rd1，轴向长度为Hd1。同轴输出外筒D0和同轴输出内筒D1的左右端面平齐。同轴输出外筒D0和同轴输出内筒D1之间的腔构成同轴输出腔D2。
上述参数之间满足下述关系：0<Rd1<Rd2。
所述外加磁场系统E如图6所示，由一组螺线管构成。所述螺线管安装在同轴输入结构A和谐振腔结构B的外围圆柱空间区域。外加磁场系统E的轴向中心面与互作用区阳极B1的轴向中心面Bxy重合。
通过以上设计，具有2N个谐振腔的磁控管在不同的结构参数和工作参数(工作电压和轴向磁场)的条件下，可在互作用区阳极B1和互作用区阴极B2之间的空间区域产生不同数目的电子轮辐，在同轴输出腔D2右端得到不同的波导模式。其中，结构参数通过模拟软件优化来确定，工作电压通过对同轴输入结构A加载电压来获得，轴向磁场通过对外加磁场系统E中的螺线管通以一定的电流来获得。当磁控管产生N-1个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为(N-1/N)π模，在同轴输出腔D2右端可得到圆极化TE11同轴波导模式。当磁控管产生N个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为π模，在同轴输出腔D2右端可得到TEM同轴波导模式。当磁控管产生N+1个电子轮辐时，该磁控管谐振腔的工作模式为(N+1/N)π模，在同轴输出腔D2右端可得到圆极化TE11同轴波导模式。
实施例一：国防科技大学按照以上设计方案模拟实现了工作模式为4/5π模的轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管(相应尺寸设计为：同轴输入结构：Ra1＝9.0mm,Ra2＝18.0mm,Ra3＝30.0mm,Ha1＝18.0mm,Ha2＝18.0mm；谐振腔结构：N＝5,Rb1＝9.0mm,Rb2＝18.0mm,Rb3＝30.0mm,Rb4＝9.0mm,Rb5＝18.0mm,Rb6＝32.0mm,θb1＝18°,θb2＝18°,Hb1＝72.0mm,Hb2＝62.5mm,Hb3＝18.0mm；提取腔结构：Rc1＝34.0mm,Rc2＝48.0mm,Rc3＝34.0mm,Rc4＝48.0mm,θc1＝18°,θc2＝54°,θc3＝67.5°,Hc1＝8.0mm,Hc2＝32.5mm,Hc3＝40.0mm,Hc4＝40.0mm；同轴输出结构：Rd1＝34.0mm,Rd2＝48.0mm,Hd1＝70.0mm.)。在工作电压为280kV，轴向磁场为0.4T的条件下，该磁控管的工作频率为4.19GHz，输出功率为423.0MW，功率转换效率为49.2％，微波起振时间为10ns。
实施例二：国防科技大学按照以上设计方案模拟实现了工作模式为π模的轴向输出TEM同轴波导模式的紧凑型磁控管(相应尺寸设计为：同轴输入结构：Ra1＝11.0mm,Ra2＝18.0mm,Ra3＝30.0mm,Ha1＝18.0mm,Ha2＝18.0mm；谐振腔结构：N＝5,Rb1＝11.0mm,Rb2＝18.0mm,Rb3＝30.0mm,Rb4＝11.0mm,Rb5＝18.0mm,Rb6＝32.0mm,θb1＝18°,θb2＝18°,Hb1＝72.0mm,Hb2＝62.5mm,Hb3＝18.0mm；提取腔结构：Rc1＝34.0mm,Rc2＝48.0mm,Rc3＝34.0mm,Rc4＝48.0mm,θc1＝18°,θc2＝54°,θc3＝67.5°,Hc1＝8.0mm,Hc2＝32.5mm,Hc3＝40.0mm,Hc4＝30.0mm；同轴输出结构：Rd1＝34.0mm,Rd2＝48.0mm,Hd1＝70.0mm.)。在工作电压为220kV，轴向磁场为0.4T的条件下，该磁控管的工作频率为4.29GHz，输出功率为476.0MW，功率转换效率为56.7％，微波起振时间为12ns。
实施例三：国防科技大学按照以上设计方案模拟实现了工作模式为6/5π模的轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管(相应尺寸设计为：同轴输入结构：Ra1＝13.0mm,Ra2＝18.0mm,Ra3＝30.0mm,Ha1＝18.0mm,Ha2＝18.0mm；谐振腔结构：N＝5,Rb1＝13.0mm,Rb2＝18.0mm,Rb3＝30.0mm,Rb4＝13.0mm,Rb5＝18.0mm,Rb6＝32.0mm,θb1＝18°,θb2＝18°,Hb1＝72.0mm,Hb2＝62.5mm,Hb3＝18.0mm；提取腔结构：Rc1＝34.0mm,Rc2＝48.0mm,Rc3＝34.0mm,Rc4＝48.0mm,θc1＝9°,θc2＝54°,θc3＝67.5°,Hc1＝8.0mm,Hc2＝32.5mm,Hc3＝40.0mm,Hc4＝34.0mm；同轴输出结构：Rd1＝34.0mm,Rd2＝48.0mm,Hd1＝70.0mm.)。在工作电压为160kV，轴向磁场为0.4T的条件下，该磁控管的工作频率为4.27GHz，输出功率为101.0MW，功率转换效率为19.0％，微波起振时间为10ns。
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 (1)

1.一种轴向输出圆极化TE11同轴波导模式的紧凑型磁控管，其特征在于：所述磁控管由同轴输入结构、谐振腔结构、提取腔结构、同轴输出结构和外加磁场系统组成，同轴输入结构轴向右接谐振腔结构，谐振腔结构轴向右接提取腔结构，提取腔结构轴向右接同轴输出结构，外加磁场系统安装在同轴输入结构和谐振腔结构的外围圆柱空间区域，且所述同轴输入结构、谐振腔结构、提取腔结构、同轴输出结构和外加磁场系统的轴向中心线均重合；
所述同轴输入结构由同轴输入外筒，同轴输入外导体和阴极连接杆组成，同轴输入外筒，同轴输入外导体和阴极连接杆三者的左端面平齐，同轴输入外筒和阴极连接杆之间的腔构成同轴输入腔；
所述谐振腔结构由互作用区的谐振腔结构和非互作用区的谐振腔结构组成，所述互作用区的谐振腔结构由互作用区谐振腔外筒，互作用区阳极和互作用区阴极组成，所述互作用区谐振腔外筒轴向连接在同轴输入外筒的右端，所述互作用区阳极由2N个沿互作用区谐振腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成， N取3，4，5，6，7，8，9，10任一值均可，互作用区阳极与互作用区谐振腔外筒的左右端面平齐，互作用区阳极金属块之间的腔构成互作用区谐振腔，所述互作用区阴极轴向连接在所述阴极连接杆的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上，所述非互作用区的谐振腔结构由非互作用区谐振腔外筒，非互作用区阳极和非互作用区阴极组成，所述非互作用区谐振腔外筒轴向连接在互作用区谐振腔外筒的右端，所述非互作用区阳极由2N个沿非互作用区谐振腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成，非互作用区阳极与非互作用区谐振腔外筒的左右端面平齐，非互作用区阳极金属块之间的腔构成非互作用区谐振腔，所述非互作用区阴极轴向连接在所述互作用区阴极的右端，位于整个磁控管的轴向中心线上；
所述提取腔结构由耦合腔，前段提取腔，中段提取腔和后段提取腔组成，所述耦合腔由2N个沿非互作用区谐振腔外筒内壁圆周角向周期分布的耦合口构成，耦合腔的右端面与耦合筒的右端面平齐，所述前段提取腔由前段提取腔外筒，提取腔左端板，前段提取腔隔板和耦合筒构成，前段提取腔的右端面与耦合筒的右端面平齐，所述提取腔左端板轴向连接在前段提取腔外筒的左端，所述前段提取腔隔板，由N个沿前段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成，前段提取腔外筒，前段提取腔隔板和耦合筒三者的右端面平齐，所述中段提取腔由中段提取腔外筒，中段提取腔隔板和中段提取腔内筒构成，所述中段提取腔，其内径由左端线性渐变到右端，外径由左端线性渐变到右端，角向宽度由左端线性渐变到右端，且中段提取腔的左端面与前段提取腔的右端面平齐，所述中段提取腔外筒轴向连接在前段提取腔外筒的右端，其内径由左端线性渐变到右端，所述中段提取腔隔板轴向连接在前段提取腔隔板的右端，由N个沿中段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成，其内径由左端线性渐变到右端，外径由左端线性渐变到右端，角向宽度由左端线性渐变到右端，所述中段提取腔内筒轴向连接在耦合筒的右端，其外径由左端线性渐变到右端，中段提取腔外筒，中段提取腔隔板和中段提取腔内筒三者的左右端面平齐，所述后段提取腔由后段提取腔外筒，后段提取腔隔板和后段提取腔内筒构成，后段提取腔的左端面与中段提取腔的右端面平齐，所述后段提取腔外筒轴向连接在中段提取腔外筒的右端，所述后段提取腔隔板轴向连接在中段提取腔隔板的右端，由N个沿后段提取腔外筒内壁圆周角向周期分布的金属块构成，所述后段提取腔内筒轴向连接在中段提取腔内筒的右端，后段提取腔外筒，后段提取腔隔板和后段提取腔内筒三者的左右端面平齐；
所述同轴输出结构由同轴输出外筒和同轴输出内筒构成，所述同轴输出外筒轴向连接在后段提取腔外筒的右端，所述同轴输出内筒轴向连接在后段提取腔内筒的右端，同轴输出外筒和同轴输出内筒的左右端面平齐，同轴输出外筒和同轴输出内筒之间的腔构成同轴输出腔；
所述外加磁场系统由一组螺线管构成，所述螺线管安装在同轴输入结构和谐振腔结构的外围圆柱空间区域，外加磁场系统的轴向中心面与互作用区阳极的轴向中心面重合。
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