CN107093540B - 一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，包括阴极、阳极外筒和设置在阳极外筒内的阳极块，所述阴极设置在阳极外筒内且两者同轴心设置，所述阳极块设置在阴极与阳极外筒之间且阳极块与阳极外筒的内壁连接；所述阳极外筒内设置有耦合天线，所述耦合天线的一端与阳极块连接，耦合天线的另一端悬空，耦合天线与阳极外筒轴向平行；本发明由于采用了耦合天线内部放置的方法，整个输出结构是沿阴阳极的轴向延伸，系统的横向尺寸仅由微波管自身的阴阳极决定，因此结构较为紧凑。且由于输出结构不会额外增加微波管的横向尺寸，有利于外部磁场产生系统的小型化设计；另外此种相对论磁控管，其输出模式可以根据需要进行改变。

Description

一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，本发明可以应用于高功率微波技术领域的微波产生系统。
背景技术
随着高功率微波技术的发展，高功率微波技术研究越来越考虑实际的应用需求，这对于高功率微波装置的小型化，轻量化设计提出了较高的要求。
相对论磁控管（Relativistic Magnetron，简称RM）是重要的高功率微波管之一，它是普通磁控管在高电压、大电流方向的直接外推。目前相对论磁控管的研究重点是尽量提高效率，并缩小系统的体积和重量以适应多种小型化应用需求。围绕这一需求，各国学者进行了大量研究。在其输出结构的研究报导中，传统径向输出结构由于采用缝隙耦合输出，容易导致微波击穿，不利于系统功率容量的提高；其次，采用传统径向输出结构要想在互作用空间产生均匀磁场则要用一对 Helmholtz 线圈，这时磁路系统的尺寸很庞大，不利于系统的小型化。随着相对论磁控管输出结构研究的深入，近年来研究学者提出了衍射输出和全腔提取输出两种输出结构。
衍射输出结构是指将磁控管的谐振腔（部分或者全部谐振腔）在轴向光滑渐变到一个喇叭天线，然后通过圆波导由喇叭天线输出能量。由于其避免了缝隙耦合输出能量，磁控管功率容量相比于传统径向输出方式有明显提高。美国新墨西哥大学的Mikhail. I.Fuks小组运用粒子模拟软件开展了带透明阴极的衍射输出相对论磁控管设计，设计结果在2.45GHz频率上，输出功率达到1.4GW，效率达到70%。稍显不足的是，在尺寸方面，衍射输出磁控管渐变输出口尺寸较大，增大了磁体小型化设计的难度。
Greenwood 和Hoff等人提出了全腔提取轴向输出结构，该结构将磁控管相邻谐振腔耦合孔以沿中心线对称的形式与一个扇形输出波导相连，当磁控管工作在π模时，扇形输出波导中将激励起TE11模。与传统径向输出磁控管相比，这种结构具有对称输出的特点，对磁控管工作状态影响较小。由于输出微波以基模传输，其径向尺寸相比于衍射输出结构可以有一定减小。但由于多根耦合输出波导与磁控管谐振腔体同轴设置，所以系统横向尺寸仍然较大。
发明内容
本发明提供一种新型输出结构的相对论磁控管，该输出结构与已有的输出结构相比，具有结构简单紧凑、易于实现，不会额外增加系统横向尺寸的优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，包括阴极、阳极外筒和设置在阳极外筒内的阳极块，所述阴极设置在阳极外筒内且两者同轴心设置，所述阳极块设置在阴极与阳极外筒之间且阳极块与阳极外筒的内壁连接；所述阳极外筒内设置有若干根耦合天线，所述耦合天线的一端与阳极块连接，耦合天线的另一端悬空，耦合天线与阳极外筒轴向平行。
在上述技术方案中，所述阳极外筒内设置有若干个阳极块，每两个阳极块之间设置有间隙构成谐振腔。
在上述技术方案中，所述若干个阳极块沿角向均匀环绕轴心。
在上述技术方案中，所述若干根耦合天线沿角向均匀环绕轴心。
在上述技术方案中，所述与阳极块连接的耦合天线的数目可调，与相连的阳极块的相对位置可调。
在上述技术方案中，输出模式可以根据需要进行改变。当阳极块个数为2N个，所述耦合天线数目为N根，沿角向均匀分布时，相对论磁控管输出模式为TM01模；当阳极块个数为2(2M+1)个，所述耦合天线数目为2根，沿角向间隔180°分布时，相对论磁控管输出模式为TE11模,其中N为自然数,M为自然数。
例如，当在六腔相对论磁控管中，所述耦合天线数目为3根，沿角向间隔120°分布时，相对论磁控管输出模式为TM01模。所述耦合天线数目为2根，沿角向间隔180°分布时，相对论磁控管输出模式为TE11模。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的相对论磁控管，由于采用了耦合天线内部放置的方法，整个输出结构是沿阴阳极的轴向延伸，系统的横向尺寸仅由微波管自身的阴阳极尺寸决定，因此结构较为紧凑。相对论微波管工作所需的磁体系统（如磁场线圈，永磁体等）一般都是套在微波管外部，所以微波管横向尺寸的紧凑性也会影响外部磁场产生系统的尺寸大小。本发明的输出结构不会额外增加微波管的横向尺寸，因此，更有利于外部的磁场产生系统的小型化设计。另外，此种相对论磁控管，其输出模式可以根据需要进行改变。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1本发明的实施例1的结构剖面示意图；
图2实施例1的输出端口电场分布图；
图3实施例1的输出端口磁场分布图；
图1中：1.阴极 2.阳极块 3.阳极外筒 4.耦合天线。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
图1为本发明的多天线耦合输出结构相对论磁控管的结构剖面示意图，图2，图3是图1结构的粒子模拟输出的电磁场分布图。
本发明的多天线耦合输出结构相对论磁控管的基本工作原理与传统结构的磁控管类似，通过阴极发射的电子与高频场微波在谐振腔中的束波互作用发生能量交换，使电子的能量转换成微波的能量，微波能量得到放大。其最大的不同点在于多天线耦合输出结构相对论磁控管的能量输出结构部分，其由多根耦合天线与阳极外筒构成。耦合天线一端与阳极块相连，一端悬空，沿轴向放置于阳极外筒内部。耦合天线沿角向均匀环绕轴心，与阳极外筒的轴向延伸段共同实现磁控管的能量提取。所述耦合天线，形状大小可调，其与相连的阳极块的相对位置可调。所述耦合天线，数目可以根据实际的阴阳极结构进行改变，例如在典型的A6型相对论磁控管中，采用此种多天线耦合输出结构，当耦合天线数目为三根，沿角向间隔120°分布时，相对论磁控管输出模式为TM01模，当耦合天线数目为两根，沿角向间隔180°分布时，相对论磁控管输出模式为TE11模。此输出结构的输出模式可以根据实际需要进行变化。
本实施例为典型的A6型相对论磁控管，如图1所示，包括阴极，阳极块，阳极外筒和耦合天线。此阴极为透明阴极，由三部分组成，分别为阴极底柱，端帽，和三根相同大小的金属柱。阴极底柱为半径15.8mm，长82mm的圆柱；阴极端帽为两个半径23.2mm，厚11mm的圆柱；三根金属柱横截面皆为内半径11mm，外半径15.5mm，夹角20°的扇形，金属柱长度为157.4mm。设置六个阳极块，沿角向均匀环绕在阴极外围，紧贴阳极外筒内壁，形成六个谐振腔。阳极块内半径为33mm，外半径为60 mm，张角为40°，阳极块轴向长度为77.8mm。阳极外筒总长度为435mm，外半径为66mm，阳极外筒内半径为60mm。三根耦合天线端部分别与间隔的三个阳极块相连，沿轴向排列于阳极外筒内部。三个阳极块与三根耦合天线相交的位置相同，均位于阳极块横截面的角向中心线上。耦合天线的横截面是半径为4.7mm的圆形，长度为113.4mm，耦合天线轴心线与阳极外筒内表面距离为33.8mm。三根耦合天线与阳极外筒共同形成了输出结构，引导微波输出。
利用粒子模拟软件对上述结构的相对论磁控管进行计算，相对论磁控管工作正常。模拟得到在0.38T的磁场条件下，输入电压为592kV，输入电流为6.77kA时，微波输出为1.41GW，功率效率为35.1%。微波输出场分布如图2、图3 所示，微波输出模式为TM01模。由于该种输出结构的相对论磁控管整体结构紧凑，故该发明可用于对小型化要求严格的高功率微波系统之中
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，包括阴极、阳极外筒和设置在阳极外筒内的阳极块，所述阴极设置在阳极外筒内且两者同轴心设置，所述阳极块设置在阴极与阳极外筒之间且阳极块与阳极外筒的内壁连接；其特征在于所述阳极外筒内设置有若干根耦合天线，所述耦合天线的一端与阳极块连接，耦合天线的另一端悬空，耦合天线与阳极外筒轴向平行；所述阳极外筒内设置有若干个阳极块，每两个阳极块之间设置有间隙构成谐振腔；所述若干个阳极块沿角向均匀环绕轴心；所述若干根耦合天线沿角向均匀环绕轴心。
2.根据权利要求1所述的一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，其特征在于所述与阳极块连接的耦合天线的数目可调，与相连的阳极块的相对位置可调。
3.根据权利要求1所述的一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，其特征在于当阳极块个数为2N个，所述耦合天线数目为N根，沿角向均匀分布时，相对论磁控管输出模式为TM01模，其中N为自然数。
4.根据要求3所述的一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，其特征在于N为大于或等于3的整数，其中N为自然数。
5.根据权利要求1所述的一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，其特征在于当阳极块个数为2(2M+1)个，所述耦合天线数目为2根，沿角向间隔180°分布时，相对论磁控管输出模式为TE11模，其中M为自然数。
6.根据要求5所述的一种多天线耦合输出结构的相对论磁控管，其特征在于M为大于或等于1的整数，其中M为自然数。
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