CN106531598B - 可机械调频的l波段渡越时间振荡器 - Google Patents

可机械调频的l波段渡越时间振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种可机械调频的L波段渡越时间振荡器，属于高功率微波技术领域。所述振荡器包括阴极(1)、内导体(2)、调节栓(3)、外导体(4)、密封帽安装座(5)，密封帽(6)、金属薄片(7)、调节杆(8)，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极(1)左端连接脉冲功率源的内导体，内导体(2)右端连接辐射系统的内导体，外导体(4)左端外接脉冲功率源的外导体，外导体(4)右端连接辐射系统的外导体。本发明克服了通常渡越时间振荡器不可调频的问题，且可机械调频的L波段渡越时间振荡器输出效率高、可调频段宽、工作模式纯。

Description

可机械调频的L波段渡越时间振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种可机械调频的L波段渡越时间振荡器，属于高功率微波技术领域。
背景技术
高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波，目前已经被广泛应用于定向能武器、雷达卫星、电子高能射频加速器、遥感及辐射测量等众多国防和工业领域。
高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。
调频技术在通信、遥感、高功率微波效应测试等领域有着重要研究意义和应用价值，目前在相对论返波管及磁绝缘线振荡器中均有调频技术的研究，但在渡越时间振荡器中还未有相关研究。调频的两个重要指标，一是输出效率，二是调频范围。文献【XingjunGe,Huihuang Zhong,Baoliang Qian,Jun Zhang,Liang Gao,Zhenxing Jin,Yuwei Fan,and Jianhua Yang.An L-band coaxial relativistic backward wave oscillator withmechanical frequency tunability.Applied Physics Letters,2010,Vol.97,101503】中，实验得到可调频返波管的调频范围为4％，效率在8.5％以上。文献【Yuwei Fan,XiaoyuWang,Guolin Li,Hanwu Yang,Huihuang Zhong,and Jiande Zhang.Experimentaldemonstration of a tunable Load-Limited Magnetically Insulated TransmissionLine Oscillator.IEEE Transactions on electron devices,2016,0018-9383】中，实验得到磁绝缘线振荡器的调频范围为13.6％，效率最高为15.2％。L波段的渡越时间振荡器由于具有腔数少、过模比低等特点，在调频应用中腔体内模式竞争弱，因此具有工作模式单一、输出效率高的潜在优势，是一种有望实现兼顾高效率和宽调频范围的可调频高功率微波器件。
研究L波段渡越时间振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【曹亦兵.基于渡越辐射新型高功率微波源的研究[D].国防科技大学，2012.】(以下称为现有技术1)。该结构分为阴极a、外导体b和内导体c，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极的一侧称为左端，远离阴极的一侧称为右端。在二极管电压620kV、电流25kA、导引磁场0.5T的条件下，实验得到了约3.5GW的输出微波功率，微波频率1.64GHz，器件效率达到22.6％。
由上可知，L波段渡越时间振荡器具有结构简单、输出效率高等优点，但在渡越时间振荡器上还未有相关调频技术的研究，尤其是同时实现高效率和宽调频范围的渡越时间振荡器的技术方案尚未有公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种可机械调频的L波段渡越时间振荡器，克服通常渡越时间振荡器不可调频的问题，且可机械调频的L波段渡越时间振荡器输出效率高、可调频段宽、工作模式纯。
本发明的技术方案是：
一种可机械调频的L波段渡越时间振荡器，包括阴极1、内导体2、调节栓3、外导体4、密封帽安装座5，密封帽6、金属薄片7、调节杆8，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极1左端连接脉冲功率源的内导体，内导体2右端连接辐射系统的内导体，外导体4左端外接脉冲功率源的外导体，外导体4右端连接辐射系统的外导体。
阴极1为左端带内螺纹右端平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端圆环的半径大于右端圆环的半径，左端圆环的内半径介于内导体2最大外半径和外导体4最小内半径之间，具体尺寸应配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，右端圆环的内半径等于发射电子束的半径rbeam，径向厚度为dbeam，一般设计为1mm～10mm，阴极1的作用为产生和发射电子束；内导体2由两截柱状圆筒组成，左端半径较小的圆筒靠近阴极的一端封闭，其内半径为r1，外半径为r2，在半径较小的圆筒外壁上开有四个圆环形凹槽，左边两个凹槽的宽度相等，均为l1，右边两个凹槽的宽度相等，均为l2，四个凹槽的内半径均为r3；左端第一个凹槽的左侧端面距离半径较小的圆筒左侧端面的距离为p1，第一个凹槽与第二个凹槽、第二个凹槽与第三个凹槽、第三个凹槽与第四个凹槽之间的距离分别为p2、p3、p4，满足p3>p1，p2>p4；右端半径较大的圆筒外半径为r4，其内半径r5取决于与之连接的辐射系统的尺寸；调节栓3由两部分组成，上端为圆柱状调节杆，下端为带卡槽的卡口，所述卡口的宽度等于所在凹槽的宽度，用于固定金属薄片7，所述圆柱状调节杆用于调节金属薄片7进入外导体4内壁的深度；外导体4为一圆柱筒，其内壁与内导体2对应的部位开有四个圆环状凹槽，四个凹槽的外半径均为r6，内半径均为r7；外导体4右端开口处半径r8，其与内导体右端半径较大的圆筒组成的同轴结构构成微波输出口，径向尺寸满足r6>r8>r7>r4>rbeam>r2>r3>r1，外导体4左边三个凹槽的宽度均与相对应的内导体3上凹槽的宽度相同，第四个凹槽的宽度为l3，满足l3>l1>l2；在每个凹槽内沿外导体4圆周角向均各开8个孔，一共4×8个孔，其中沿轴向的四个孔均位于同一直线上，用于安装调节栓3；外导体4上开孔所在位置处均设置有密封帽安装座5，调节栓3的圆柱状调节杆穿过外导体4上的开孔及密封帽安装座5中心的开孔，经过密封帽6进行密封后，圆柱状调节杆的另一端固定于调节杆8上，所述密封帽6与密封帽安装座5相互配合，用于确保微波源内能够保持高真空；内导体3与外导体4上前两个相对的凹槽形成调制腔，后两个相对的凹槽形成提取腔，调制腔用于对阴极1发射的电子束进行密度调制和速度调制，最终将调制腔内本征微波的能量交给电子束，提取腔用于与被调制腔调制后的电子束相互作用，最终将电子束的能量传递给提取腔的本征微波并沿微波源右端的微波输出口传输出去；所述金属薄片7的宽度约等于所在凹槽的宽度，厚度为1mm～2mm，金属薄片7通过固定在调节栓3卡口的卡槽内形成一个圆环，且金属薄片7的两端在形成一个完整的圆环后两端还存在相互重叠的区域，圆环半径为r9，满足r8<r9<r6，通过改变圆环的半径r9来改变提取腔和调制腔的大小；所述调节杆8有八根，用于固定调节栓3的圆柱状调节杆，通过上下改变8根调节杆的位置来改变由金属薄片7所形成圆环的半径r9。
所述阴极1采用石墨或铜，内导体2、调节栓3、外导体4、密封帽安装座5、密封帽6、金属薄片7、调节杆8均为不锈钢材料。
本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与由慢波结构决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导辐射出去；通过调节金属薄片的位置来改变调制腔和提取腔的大小，进而改变调制腔和提取腔内本征模式的场分布及频率，最终改变器件的工作频率。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
(1)本发明中L波段渡越时间振荡器能够实现对频率的调节，突破了传统的渡越时间振荡器只能工作在一个频点下的限制。
(2)仅通过对L波段渡越时间振荡器外导体半径的调节，其它参数不用改变，所运用的调节方法及工程设计方法操作简单，并且器件能在保持工作的状态下实现实时调频。
(3)本发明中可调频的L波段渡越时间振荡器，可调频范围为1.53～1.925GHz，并且能在1.62～1.8GHz范围内输出效率高于30％，在1.57～1.9GHz范围内输出效率高于20％，具有输出效率高、调频范围宽的优点。
(4)所设计器件仅含四个腔，腔体数目少，避免了多腔器件(如相对论返波管)中存在的模式竞争等缺点，器件能始终保持在TM01模式下工作，具有模式单一的优点。
附图说明
图1为背景介绍中现有技术1公开的L波段渡越时间振荡器的结构示意图；
图2为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器的前视剖视结构示意图；
图3为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器的立体示意图；
图4为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，调节栓3与金属薄片7连接的立体结构示意图；
图5为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，调节栓3、密封帽安装座5、密封帽6、金属薄片7以及调节杆8相配合连接的立体结构示意图。
图6为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，上下调节外导体4最大半径对输出微波效率的影响结果示意图；
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为现有技术1中公布的L波段渡越时间振荡器结构示意图。该结构由阴极a、外导体b、内导体c组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极a右端中心半径为rbeam。外导体b和内导体c均有四个凹槽，内外导体凹槽的轴向位置和尺寸相同，外导体凹槽处最大半径r1，外导体凹槽处最小半径r2，内导体凹槽处最大半径r3，外导体凹槽处最小半径r4，径向尺寸满足r1>r2>rbeam>r3>r4。该方案结构简单，实验中在二极管电压620kV、电流25kA、导引磁场0.5T的条件下，实验得到了约3.5GW的输出微波功率，微波频率1.64GHz，器件效率达到22.6％，这对于研制L波段渡越时间振荡器有重要借鉴意义。但是该器件工作频率只能为1.64GHz，未引入调频技术，影响其应用范围的拓展。
图2为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器的前视剖视结构示意图，图3为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器的立体示意图。本发明由阴极1、内导体2、调节栓3、外导体4、密封帽安装座5，密封帽6、金属薄片7，调节杆8组成，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极1左端外连接外接脉冲功率源的内导体，内导体2右端连接辐射系统的内导体，外导体4左端外接脉冲功率源的外导体，外导体4右端连接辐射系统的外导体。
其中阴极1为左端带内螺纹右端平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端圆环的半径大于右端圆环的半径，左端圆环的内半径介于内导体2最大外半径和外导体4最小内半径之间，具体尺寸应配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，同时需要根据工作波长λ优化设计，右端圆环的内半径等于发射电子束的半径rbeam，径向厚度为dbeam，一般设计为0.1cm～1cm。
内导体2由两截柱状圆筒组成，左端半径较小的圆筒靠近阴极的一端封闭，其内半径为r1，外半径为r2，在半径较小的圆筒外壁上开有四个圆环形凹槽，左边两个凹槽的宽度相等，均为l1，右边两个凹槽的宽度相等，均为l2，四个凹槽的内半径均为r3；左端第一个凹槽的左侧端面距离半径较小的圆筒左侧端面的距离为p1，第一个凹槽与第二个凹槽、第二个凹槽与第三个凹槽、第三个凹槽与第四个凹槽之间的距离分别为p2、p3、p4，满足p3>p1，p2>p4；右端半径较大的圆筒外半径为r4，其内半径r5取决于与之连接的辐射系统；调节栓3由两部分组成，上端为圆柱状调节杆，下端为带卡槽的卡口，所述卡口的宽度等于所在凹槽的宽度，用于固定金属薄片7，所述圆柱状调节杆用于调节金属薄片7进入外导体4内壁的深度；外导体4为一圆柱筒，其内壁与内导体2对应的部位开有四个圆环状凹槽，四个凹槽的外半径均为r6，内半径均为r7，外导体4右端开口处半径r8，其与内导体右端半径较大的圆筒组成的同轴结构构成微波输出口，径向尺寸满足r6>r8>r7>r4>rbeam>r2>r3>r1，外导体4左边三个凹槽的宽度均与相对应的内导体3上凹槽的宽度相同，第四个凹槽的宽度为l3，满足l3>l1>l2；在每个凹槽内沿外导体4圆周角向各开8个孔，一共4×8个孔，其中沿轴向的四个孔均位于同一直线上，用于安装调节栓3；外导体4上开孔所在位置处均设置有密封帽安装座5，，调节栓3的圆柱状调节杆穿过外导体4上的开孔及密封帽安装座5中心的开孔，经过密封帽6进行密封后，圆柱状调节杆的另一端固定于调节杆8上，所述密封帽6与密封帽安装座5相互配合，用于确保微波源内能够保持高真空。
金属薄片7的宽度约等于所在凹槽的宽度，厚度为0.1cm～0.2cm，金属薄片7通过固定在调节栓3卡口的卡槽内形成一个圆环，且金属薄片7的两端在形成一个完整的圆环后两端还存在相互重叠的区域，圆环半径为r9，满足r8<r9<r6，通过改变圆环的半径来改变提取腔和调制腔的大小。图4为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，调节栓3与金属薄片7连接的立体结构示意图。
调节杆8有八根，用于固定调节栓3的圆柱状调节杆，通过上下改变8根调节杆的位置来改变由金属薄片7所形成圆环的半径r9。图5为本发明提供的可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，调节栓3、密封帽安装座5、密封帽6、金属薄片7以及调节杆8相配合连接的立体结构示意图。
进一步地，所述阴极1采用石墨或介质铜材料，内导体2、调节栓3、外导体4、密封帽5、调节杆6、调节螺丝钉7、金属薄片8均为不锈钢材料。
本优选实施例实现了调频范围在1.53～1.925GHz，并且能在1.62～1.8GHz范围内输出效率高于30％，在1.57～1.9GHz范围内输出效率高于20％，具有输出效率高、调频范围宽的L波段渡越时间振荡器。粒子模拟中，在10.2GW注入功率下，最高输出效率达41％，对应频率为1.75GHz(对应微波波长λ＝17cm)，相应的尺寸设计为：r1＝58mm，r2＝84mm，r3＝64mm，r4＝115mm，r5＝105mm，r6＝200mm，r7＝120mm，r8＝145mm，r9＝157mm，rbeam＝105mm，dbeam＝8mm，l1＝33mm，l2＝22mm，l3＝52mm，p1＝40mm，p2＝29mm，p3＝50mm，p4＝20mm，金属薄片的厚度为1mm。通过调节栓3调节的金属薄片8的半径即为r9的尺寸。由上述结果可知，本发明克服了通常渡越时间振荡器只能工作在单一频点下的缺点，并且能同时兼顾输出效率高、调频范围宽的优点，对于设计可机械调频的渡越时间振荡器具有重要的借鉴意义。
参见图6，可知在可机械调频的L波段渡越时间振荡器中，上下调节外导体4最大半径对输出微波效率的影响结果，其中Δr＝(r9-157)mm。调频范围在1.53～1.925GHz，其中在1.62～1.8GHz范围内输出效率高于30％，在1.57～1.9GHz范围内输出效率高于20％。
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。
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。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 (3)

1.一种可机械调频的L波段渡越时间振荡器，其特征在于：所述振荡器包括阴极(1)、内导体(2)、调节栓(3)、外导体(4)、密封帽安装座(5)，密封帽(6)、金属薄片(7)、调节杆(8)，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极(1)左端连接脉冲功率源的内导体，内导体(2)右端连接辐射系统的内导体，外导体(4)左端外接脉冲功率源的外导体，外导体(4)右端连接辐射系统的外导体；
阴极(1)为左端带内螺纹右端平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端圆环的半径大于右端圆环的半径，左端圆环的内半径介于内导体(2)最大外半径和外导体(4)最小内半径之间，具体尺寸应配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，右端圆环的内半径等于发射电子束的半径rbeam，径向厚度为dbeam，设计为1mm～10mm，阴极(1)的作用为产生和发射电子束；内导体(2)由两截柱状圆筒组成，左端半径较小的圆筒靠近阴极的一端封闭，其内半径为r1，外半径为r2，在半径较小的圆筒外壁上开有四个圆环形凹槽，左边两个凹槽的宽度相等，均为l1，右边两个凹槽的宽度相等，均为l2，四个凹槽的内半径均为r3；左端第一个凹槽的左侧端面距离半径较小的圆筒左侧端面的距离为p1，第一个凹槽与第二个凹槽、第二个凹槽与第三个凹槽、第三个凹槽与第四个凹槽之间的距离分别为p2、p3、p4，满足p3>p1，p2>p4；右端半径较大的圆筒外半径为r4，其内半径r5取决于与之连接的辐射系统的尺寸；调节栓(3)由两部分组成，上端为圆柱状调节杆，下端为带卡槽的卡口，所述卡口的宽度等于所在凹槽的宽度，用于固定金属薄片(7)，所述圆柱状调节杆用于调节金属薄片(7)进入外导体(4)内壁的深度；外导体(4)为一圆柱筒，其内壁与内导体(2)对应的部位开有四个圆环状凹槽，四个凹槽的外半径均为r6，内半径均为r7；外导体(4)右端开口处半径r8，其与内导体右端半径较大的圆筒组成的同轴结构构成微波输出口，径向尺寸满足r6>r8>r7>r4>rbeam>r2>r3>r1，外导体(4)左边三个凹槽的宽度均与相对应的内导体(2)上凹槽的宽度相同，第四个凹槽的宽度为l3，满足l3>l1>l2；在每个凹槽内沿外导体(4)圆周角向均各开8个孔，一共4×8个孔，其中沿轴向的四个孔均位于同一直线上，用于安装调节栓(3)；外导体(4)上开孔所在位置处均设置有密封帽安装座(5)，调节栓(3)的圆柱状调节杆穿过外导体(4)上的开孔及密封帽安装座(5)中心的开孔，经过密封帽(6)进行密封后，圆柱状调节杆的另一端固定于调节杆(8)上，所述密封帽(6)与密封帽安装座(5)相互配合，用于确保微波源内能够保持高真空；内导体(2)与外导体(4)上前两个相对的凹槽形成调制腔，后两个相对的凹槽形成提取腔，调制腔用于对阴极(1)发射的电子束进行密度调制和速度调制，最终将调制腔内本征微波的能量交给电子束，提取腔用于与被调制腔调制后的电子束相互作用，最终将电子束的能量传递给提取腔的本征微波并沿微波源右端的微波输出口传输出去；所述金属薄片(7)的宽度等于所在凹槽的宽度，厚度为1mm～2mm，金属薄片7通过固定在调节栓(3)卡口的卡槽内形成一个圆环，且金属薄片(7)的两端在形成一个完整的圆环后两端还存在相互重叠的区域，圆环半径为r9，满足r8<r9<r6，通过改变圆环的半径r9来改变提取腔和调制腔的大小；所述调节杆(8)有八根，用于固定调节栓(3)的圆柱状调节杆，通过上下改变8根调节杆的位置来改变由金属薄片(7)所形成圆环的半径r9。
2.根据权利要求1所述可机械调频的L波段渡越时间振荡器，其特征在于：所述阴极(1)采用石墨或铜，内导体(2)、调节栓(3)、外导体(4)、密封帽安装座(5)、密封帽(6)、金属薄片(7)、调节杆(8)均为不锈钢材料。
3.根据权利要求1或2所述可机械调频的L波段渡越时间振荡器，其特征在于：所述振荡器相应的尺寸设计为：r1＝58mm，r2＝84mm，r3＝64mm，r4＝115mm，r5＝105mm，r6＝200mm，r7＝120mm，r8＝145mm，r9＝157mm，rbeam＝105mm，dbeam＝8mm，l1＝33mm，l2＝22mm，l3＝52mm，p1＝40mm，p2＝29mm，p3＝50mm，p4＝20mm，金属薄片的厚度为1mm。
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