CN106992106A - 一种功率可调的返波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率可调的返波振荡器，通过在矩形波导的腔体中间纵向插入上下两排周期性互补开口谐振环结构，这种互补开口环谐振结构在开口缝隙处即两半部分的横向枝节间有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。同时，形成三个电子注通道。这样，与传统的相对论返波振荡器相比，拥有更高的耦合阻抗，能够获得很高的功率输出和电子效率；另外，这种结构可以一个电子注单独工作，也可以分别两个电子注或三个电子注工作，这样一来就能形成单注、双注、三注三种可调功率输出，从而实现多带状注功率可调。

Description

一种功率可调的返波振荡器
技术领域
本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种功率可调的返波振荡器。
背景技术
自上个世纪30年代微波电子管开始走进人们的视线以来，微波电真空器件不论在现代的军事对抗方面，还是国家经济建设方面，都起着不可替代的作用。在一段较长的时期，微波电真空电子管得到了广泛的重视，取得了迅猛的发展，但是后来的半导体固态器件的迅速崛起给微波电真空器件带来了巨大的冲击和挑战。
微波电真空器件的应用主要在高频率、高功率方面，而半导体固态器件的应用多在频率较低、功率较小等方面。半导体固态器件的频率在1GHz左右时，其平均功率大约是100W左右；而当频率大约为10GHz的时候，半导体固态器件的平均功率下降到只有10W左右，当频率上升到100GHz左右的时候，固态器件的平均功率只有1W。相比于半导体固态器件，微波电真空器件的平均功率就要高得多。
正是由微波电真空器件具有半导体固态器件与之无法比拟的高输出功率这一优势。即使在当下固态器件迅猛发展的情况下，微波电真空器件仍然在各个领域有着强大的生命力和发展需求。
返波管(Backward Wave Oscillator，简称BWO)也称返波振荡器，返波管(BWO)是一种众多微波电真空器件中输出功率最高的一种O型器件，能够广泛应用于雷达以及电子对抗、电子干扰和离子加速器等领域。但返波管一般体积庞大，不利于小型化、集成化，迫切需要一种体积小、功率高、易于集成化实现功率可调的新型返波管来提高电磁能量设备的灵活机动性，减少功耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种体积小、功率高、易于集成化的功率功率可调的返波振荡器。
为实现上述发明目的，本发明功率可调的返波振荡器，包括慢波结构、输出耦合结构、发射阴极以及终端匹配器；
所述慢波结构输入端与输出耦合器连接，输出端与终端匹配器连接；
所述输出耦合结构为一输出波导，一端与外界相连，另一端和慢波结构输入端外壳相连；
所述终端匹配器用于了消除反射产生的寄生振荡；
在慢波结构中，在返波管中电子注与具有负色散的电磁慢波(即返波)形成震荡的自激，电磁波和电子注相互作用，发生能量交换，波能量又朝着相反的方向传播，并在靠近发射阴极的一端输出；
其特征在于：
所述慢波结构包括矩形波导以及上下两排周期性互补开口环谐振结构；
所述上下两排周期性互补开口环谐振结构的每排都由多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于矩形波导两个长边之间，水平纵向(沿矩形波导传输方向)依次插入矩形波导的腔体中形成，其中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对齐，且与矩形波导长边一致；
所述互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框架的一条长边(宽边)中点位置向内侧延伸一段金属条，金属条的终端分别向金属矩形框的两条窄边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节；同样，在矩形框架的另外一条长边中心位置向内侧再对称形成一段金属条和横向枝节；
在矩形波导腔体内上下对称分布，上一排周期性互补开口谐振环结构的上表面与矩形波导的上长边、下一排周期性互补开口谐振环结构的下表面与矩形波导的下长边以及上下两排周期性互补开口环谐振结构之间分别形成一个电子注通道；
所述上下两排周期性互补开口环谐振结构的两端都分别连接有一探针，所述探针是一段有一定长度的圆柱形金属细长杆，探针的一端连接到上下两排周期性互补开口环谐振结构的一端，另一端伸入输出波导腔体或伸入到终端匹配器内，将产生的电磁波信号耦合输出到输出波导或终端匹配器；
所述发射阴极位于输出波导外侧，包括三个阴极，每个阴极为位于一个电子注通道位置的一块矩形金属块状物，三个阴极均可发射带状电子注，发射的带状电子注从周期性互补开口谐振环结构的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构上传输的电磁波进行能量交换。
本发明的目的是这样实现的。
本发明功率可调的返波振荡器，通过在矩形波导的腔体中间纵向插入上下两排周期性互补开口谐振环结构，这种互补开口环谐振结构一半部分产生的电流密度方向与对称的另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，从而在开口缝隙处即两半部分的横向枝节间有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。同时，在上一排周期性互补开口谐振环结构的上表面与矩形波导的上长边、下一排周期性互补开口谐振环结构的下表面与矩形波导的下长边以及上下两排周期性互补开口环谐振结构之间分别形成一个电子注通道。这样，与传统的相对论返波振荡器相比，拥有更高的耦合阻抗，能够获得很高的功率输出和电子效率；另外，这种结构可以一个电子注单独工作，也可以分别两个电子注或三个电子注工作，这样一来就能形成单注、双注、三注三种可调功率输出，从而实现多带状注功率可调。
附图说明
图1是本发明功率可调的返波振荡器一种具体实施方式的结构示意图；
图2是图1所示功率可调的返波振荡器的剖视图；
图3是图1所示一个周期的互补开口谐振环结构的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为互补开口谐振环结构的纵向截面图，(c)为互补开口谐振环结构的横向截面图；
图4是图1所示功率可调的返波振荡器的纵向剖视图；
图5是图1所示功率可调的返波振荡器的左侧端面剖视图；
图6是本发明双带状电子注通过上下两排周期性互补开口环谐振结构的示意图；
图7是图2所示直角梯形状氧化铍衰减陶瓷的结构示意图；
图8是本发明中周期性慢波结构(矩形波导与上下两排周期性互补开口环谐振结构组成)的色散曲线图；
图9是图1所示功率可调的返波振荡器未加终端匹配负载时传输参数结果图；
图10是图1所示功率可调的返波振荡器三个带状电子注工作输出信号图；
图11是图1所示功率可调的返波振荡器单注、双注和三注工作输出功率和电子效率矩形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明功率可调的返波振荡器一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明功率可调的返波振荡器包括慢波结构A、输出耦合结构B、终端匹配器C以及发射阴极D。慢波结构A输入端与输出耦合结构B连接，输出端与终端匹配器C连接。输出耦合结构B为一输出波导，一端与外界相连，另一端和慢波结构A输入端外壳相连。终端耦合器C用于对慢波结构输出端的电磁波能量进行吸收，以消除反射产生的寄生振荡，发送阴极D位于输出耦合结构B外侧，用于产生带状电子注。
如图2所示，慢波结构A包括矩形波导1、上下两排周期性互补开口环谐振结构2。在上下两排周期性互补开口环谐振结构的两端都分别连接有一探针3。
终端匹配器C由一段方波导4和方波导腔体内放入一段直角梯形状氧化铍衰减陶瓷5构成。方波导4一端和矩形波导1的输出端相连，
直角梯形状氧化铍衰减陶瓷5的厚度(高度)与输出波导宽度一致，宽度和输出波导的长边一致，氧化铍陶瓷刚好填充在方波导腔体内，渐变段冲入上下两排周期性互补开口环谐振结构位置。
图3是图1所示基于超材料的慢波结构一个周期的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为慢波结构中的互补开口谐振环结构的纵向截面图，(c)为互补开口谐振环结构的横向截面图。
如图2、3所示，每排周期性互补开口谐振环结构2由多个互补开口环谐振结构的金属矩形框201置于矩形波导1两个长边101之间，水平纵向(沿矩形波导1传输方向)依次插入矩形波导1的腔体中形成，每个互补开口环谐振结构的长边即金属矩形框201的长边纵向对齐，且与矩形波导1长边一致。
在本实施例中，如图3(a)、(b)所示，一个周期的互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框201，在金属矩形框架的一条长边即左边的长边中点位置向内侧即右侧延伸一段金属条202，金属条202的终端分别向金属矩形框201的两条窄边即上下两条边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节203；同样，在矩形框架的另外一条长边即即右边的长边中点位置向内侧即左侧再对称形成一段金属条和横向枝节。
如图3(a)、(b)所示，互补开口环谐振结构中两个左右两个枝节203形成一对互补开口谐振环，这种互补开口环谐振结构对称的左边一半部分产生的电流密度方向与另一半部分相反，从而产生的感应磁场相互抵消，减少磁场响应，在开口缝隙处有较强的电场共振响应，表现出负的介电常数ε和负的磁导率μ的超材料电磁特性，在该周期性互补开口谐振环结构的上表面和下表面会形成纵向的谐振场强，有利于带状电子注的带电粒子和电磁波的相互作用。
如图3(b)、(c)所示，定义一个周期的互补开口环谐振结构尺寸如下：互补开口谐振环结构厚度为t，内部长宽尺寸为W1*L2，外部长宽尺寸为W4*L1，开口间隙即两半部分的横向枝节间的距离为d2，横向枝节长度为W2，宽度为d1，金属条宽度为W3，矩形波导1外壳的高度为c。
在本实施例中，如图3(b)、(c)所示，一个周期的互补开口环谐振结构中，金属矩形框201的窄边L1和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L1<0.25λ，横向枝节203的长度W2和金属矩形框201的长边W1满足：2W2<W1，横向枝节203的宽度d1、两半部分的横向枝节间形成的开口缝隙的宽度d2以及金属矩形框201的窄边内部长度L2满足：(d2+2*d1)<L2；上下两排周期性互补开口环谐振结构与矩形波导上下长边距离h满足：h<0.5c；三个阴极的之间的距离sp满足：sp>(t+c-2*h)。
在本实施中，具体实施方案的结构尺寸如下：L1＝6.8mm、L2＝5.8mm、W1＝20mm、W4＝21mm，d2＝1.8mm、W2＝8.6mm、d1＝1.2mm、w3＝1.2mm、t＝1.0mm、c＝20mm，h＝6mm。
图4是图1所示功率可调的返波振荡器的纵向剖视图。
在本实施例中，如图4所示，本发明功率可调的返波振荡器包含周期性的慢波结构(矩形波导1与上下两排周期性互补开口环谐振结构2组成)、输出耦合结构B、终端匹配器C以及发射阴极D四个部分。
在本实施例中，如图4所示上下两排周期性互补开口环谐振结构2上下对称地置于矩形波导1腔体内，并且伸进输出耦合波导B即输出波导距离为wt；与两排周期性互补开口环谐振结构的探针3为一定长度的圆柱形金属细长杆，半径为2r，长度为wz；三个阴极D垂直方向排列如图5所示，中间阴极位于正中央位置，另外两个分别对称位于上下位置，相互之间间隔距离为sp，发射端口的距离为tx；阴极的的尺寸为sl*kl，距离发射端口左右端距离为st，距离上下端口距离为kt。
本发明功率可调的返波振荡器，有三个天然的电子注通道；提供了探针进行信号直接耦合，保证信号良好传输的同时，还简化了焊接装配等工艺要求。整管内部空间开放，全金属结构利于散热，采用带状电子注与电磁波进行互作用，具有较高的输出功率和电子效率，并且可以单注、双注或三注工作，结构简单、易于加工，生产成本低，可实现小型化、集成化和批量生产，有较大功率的输出是一种具有较大潜力的返波振荡器。
带状电子注3可以在周期性互补开口谐振环结构2的上表面或下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构2上传输的电磁波进行能量交换，这种结构使得能量交换的空间区域比较开放，有利于解决散热和电子积累等问题，能够保证微波电真空器件工作寿命和工作稳定性。
图6是本发明双带状电子注通过上下两排周期性互补开口环谐振结构的示意图。
如图6所示，双带状电子注可以在上下两排周期性互补开口环谐振结构的中间，上一排周期性互补开口谐振环结构的上表面和下一排周期性互补开口谐振环结构的下表面通过，并与纵向传输的电磁波进行能量交换，这种实施结构使得能量交换的空间区域比较开放，有利于解决散热和电子积累等问题，能够保证管子工作寿命和工作稳定性。该带状电子注实施方案可以实施单注、双注(上、下两注；上、中两注)和三注分别工作，可得到多个副值的功率输出。
通过仿真软件首先对其慢波结构进行优化仿真，得到一个最优的高频结构；其次利用软件对能量耦合结构进行设计，这里采用探针的方式进行能量耦合，探针直接和谐振环结构进行接连，另一端伸入输出波导内部进行能量耦合；最后利用PIC粒子模拟软件分别对单个、两个或三个带状电子注进行注波互作用的模拟仿真，得出最终的电气参数和整管结构，实现多注功率可调。
图7是图2所示直角梯形状氧化铍衰减陶瓷的结构示意图。
如图7所示直角梯形状氧化铍衰减陶瓷完好填充在方波导内部，梯形体高为mh，上底为mt，下底为mb，宽度为ml；
图8是本发明中周期性慢波结构(矩形波导与上下两排周期性互补开口环谐振结构组成)的色散曲线图。
图8中，横轴为频率，左边纵轴左边为归一化色散曲线，右边纵轴分别为电子注1、2两个不同电子注位置的耦合阻抗曲线。从图中可以看出：在4.4～5.3GHz频率范围内，归一化色散vp/c为0.2～0.96,5GHz频点处归一化色散为0.6324，耦合阻抗在1号电子注处为110～390欧姆，5GHz频点处226欧姆；在2号电子注位置耦合阻抗为187～493欧姆，5GHz频点处316欧姆。可以看出在两排谐振结构的中间位置和上下表面的位置都能产生有较大的耦合阻抗，能满足多带状注工作。
图9是图1所示功率可调的返波振荡器未加终端匹配负载的传输参数结果图。从图9可以看出在频率范围4.69～5.04GHz范围内S11<-15dB,S21>-0.2dB，有良好的传输性能。
图10是图1所示功率可调的返波振荡器三个带状电子注工作输出信号图。端口1处的输出信号以及输出信号作傅里叶变换(FFT)得到的信号频谱图。功率可调的返波振荡器工作电压为612.5kV，直流电流为68A，聚焦磁场为3T，可以看出输出电压信号在45ns左右达到最大的幅值，之后趋于稳定，继续延长计算仿真时间，输出信号仍然保持稳定无震荡现象发生，整个仿真时间为120ns，对应的傅里叶信号频谱较纯，对应的工作频点为5.038GHz。将输出信号的电平幅值换算成功率可得，三电子注工作时可达到的峰值功率为29.97MW，对应的电子效率为23.98％。
图11是图1所示功率可调的返波振荡器单注、双注和三注工作输出功率和电子效率矩形图。图11可以看出：当单注2号电子注单独工作时输出峰值功率为7.13MW，电子效率为27.73％；当单注1号电子注单独工作时输出峰值功率为6.24MW，电子效率为21.32％；当双注1、2号电子注工作时输出峰值功率为15.72MW，电子效率为26.14％；当双注1、3号电子注单工作时输出峰值功率为16.23MW，电子效率为26.93％；当三电子同时工作时输出峰值功率为7.13MW，电子效率为27.73％。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种功率可调的返波振荡器，包括慢波结构、输出耦合结构、发射阴极以及终端匹配器；
所述慢波结构输入端与输出耦合器连接，输出端与终端匹配器连接；
所述输出耦合结构为一输出波导，一端与外界相连，另一端和慢波结构输入端外壳相连；
所述终端匹配器用于了消除反射产生的寄生振荡；
在慢波结构中，在返波管中电子注与具有负色散的电磁慢波(即返波)形成震荡的自激，电磁波和电子注相互作用，发生能量交换，波能量又朝着相反的方向传播，并在靠近发射阴极的一端输出；
其特征在于：
所述慢波结构包括矩形波导以及上下两排周期性互补开口环谐振结构；
所述上下两排周期性互补开口环谐振结构的每排都由多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于矩形波导两个长边之间，水平纵向(沿矩形波导传输方向)依次插入矩形波导的腔体中形成，其中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对齐，且与矩形波导长边一致；
所述互补开口环谐振结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框架的一条长边(宽边)中点位置向内侧延伸一段金属条，金属条的终端分别向金属矩形框的两条窄边方向再延伸，形成一段长度的横向枝节；同样，在矩形框架的另外一条长边中心位置向内侧再对称形成一段金属条和横向枝节；
在矩形波导腔体内上下对称分布，上一排周期性互补开口谐振环结构的上表面与矩形波导的上长边、下一排周期性互补开口谐振环结构的下表面与矩形波导的下长边以及上下两排周期性互补开口环谐振结构之间分别形成一个电子注通道；
所述上下两排周期性互补开口环谐振结构的两端都分别连接有一探针，所述探针是一段有一定长度的圆柱形金属细长杆，探针的一端连接到上下两排周期性互补开口环谐振结构的一端，另一端伸入输出波导腔体或伸入到终端匹配器内，将产生的电磁波信号耦合输出到输出波导或终端匹配器；
所述发射阴极位于输出波导外侧，包括三个阴极，每个阴极为位于一个电子注通道位置的一块矩形金属块状物，三个阴极均可发射带状电子注，发射的带状电子注从周期性互补开口谐振环结构的上表面、下表面或者上下表面通过，并与周期性互补开口谐振环结构上传输的电磁波进行能量交换。
2.根据权利要求1所述的功率可调的返波振荡器，其特征在于，所述的金属矩形框的窄边L1和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L1<0.25λ，横向枝节的长度W2和金属矩形框的长边W1满足：2W2<W1，横向枝节的宽度d1、两半部分的横向枝节间形成的开口缝隙的宽度d2以及金属矩形框的窄边内部长度L2满足：(d2+2*d1)<L2，上下两排周期性互补开口环谐振结构与矩形波导上下长边距离h满足：h<0.5c；三个阴极的之间的距离sp满足：sp>(t+c-2*h)。c为矩形波导外壳的高度。
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