CN107527781A - 一种可直接输出te11模式电磁波的双频相对论返波振荡器 - Google Patents

一种可直接输出te11模式电磁波的双频相对论返波振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高功率微波器件技术领域，公开了一种可产生拍波效应的双频相对论返波振荡器,包括，依次同轴设置的布拉格反射器、第一慢波结构、第二慢波结构；布拉格反射器内依次同轴设置有电子注发射枪和反射工作腔；第一慢波结构包括：周期波纹设计的慢波结构，其内设置有慢波结构注波互作用腔；第二慢波结构包括：周期波纹设计的慢波结构，其内设置有慢波结构注波互作用腔，本发明利用电子注依次通过两段同轴的慢波结构，分别与第一、第二慢波结构发生注波互作用而产生反向行进的双频TM01模式的电磁波，再利用布拉格反射器使得反向行进的TM01模式电磁波转换为前向传播的TE11模式电磁波，并在辐射端输出具有拍波效应的电磁波。

Description

一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器。
背景技术
从20世纪70年代开始，高功率微波在高功率、高效率、长脉冲、重复频率运行以及锁频、锁相方面的研究都取得了长足的进步。除此之外，高功率微波源也出现了一些其他的研究发展趋势，比如说双频以及多频高功率微波源技术，即单个微波源在一次电磁脉冲中，产生同时具有两个或者多个频率的微波。双频以及多频高功率微波源的出现，打破以往单频HPM源单纯追求高功率、高效率和长脉冲以及重复频率运行的常规，其产生的拍波可以用于电子系统攻击以及各种通信系统，如相关电子攻击实验结果表明，用具有两个或多个主频的拍波电磁场进行微波辐照，可以很大程度地降低破坏电子系统所需的功率密度阈值，其主要原因是微波脉冲中主频不同的微波将产生拍频，通过系统非线性作用，如果差拍频率与对方电子系统工作频率(如计算机主频率)相接近，则辐照效果可能会大大提高。因此，研究双频高功率微波源具有重要的学术价值和应用前景，理论研究并设计能够在一次电子脉冲下产生同时具有两个及多个主频信号的高功率微波源已经成为HPM技术的一个新的发展方向，并将为HPM应用的进一步发展奠定基础。
相对论返波振荡器在慢波互作用区产生与电子注发射方向相反的TM01模式的电磁波，通常需要在慢波结构前面设置反射颈或者反射腔结构，用以反射反向的TM01模式电磁波，然而在实际应用中，这些模式旁瓣电平高，能量分散，增益低，如果直接将这些模式辐射出去，将不利于微波能量的有效利用，而TE11模具有轴向最大值和确定的极化方向，因此研究微波模式从TM01模到TE11模的转换具有实际意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器以达到不需要另加模式转化器而直接输出双频的TE11模式的电磁波以具有拍波效应、简化结构以及降低成本的目的，解决了在当前应用中需要对相对论返波振荡器产生的TM01模式电磁波加载模式转化器等装置进行TM01到TE11模式的转换，通常相对论返波振荡器产生反向的TM01模式电磁波后需要通过设置在慢波结构前面的反射颈或者反射工作腔来进行电磁波的反射，使得电磁波沿着电子注的方向辐射出去，由于在实际应用中需要的更多的是TE11模式的电磁波，因此又必须使用模式转换器进行模式转换，导致结构相对复杂和庞大，成本也相应提高的问题。
为了实现上述技术效果，本发明所提供的技术方案是：一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，包括布拉格反射器、同轴连接于布拉格反射器末端的第一慢波结构，所述第一慢波结构的末端同轴连接有第二慢波结构，且第二慢波结构端部设有电子收集极；所述布拉格反射器始端的内部同轴设置有电子注发射枪，电子注发射枪的端部设有环状的电子注发射阴极，布拉格反射器内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔；所述布拉格反射器、第一慢波结构以及第二慢波结构的外部均设有引导磁体，第一慢波结构和第二慢波结构的内部分别同轴设置有第一注波互作用腔和第二注波互作用腔。
进一步地，所述反射工作腔的内表面设有由两个螺旋方向相反的左旋螺纹结构和右旋螺纹结构相结合而成的双螺纹结构。
进一步地，所述第一注波互作用腔可将电子注发射阴极发射的电子注与第一慢波结构进行注波互作用从而产生与电子注反向的TM01模式的第一电磁波，第二注波互作用腔可将电子注发射阴极发射的电子注与第二慢波结构进行注波互作用从而产生与电子注反向的TM01模式的第二电磁波，反射工作腔通过模式耦合将 TM01模式的第一电磁波和第二电磁波转换成与电子注同向的TE11模式的第三电磁波且第二慢波结构的末端设有用于输出TE11模式的第三电磁波的辐射端。
进一步地，所述第一慢波结构和第二慢波结构的内表面分别设有呈起伏波纹状的第一波纹表面和第二波纹表面，且第一波纹表面和第二波纹表面的波纹深度和波纹周期数量均不相同。
进一步地，所述第一波纹表面和第二波纹表面均由多个波纹周期依次平行连接而成。
进一步地，所述第一波纹表面设有6个波纹周期，第二波纹表面设有8个波纹周期。
进一步地，所述反射工作腔、第一注波互作用腔以及第二注波互作用腔均设为真空腔。
进一步地，所述引导磁体包括第一引导磁体、第二引导磁体以及第三引导磁体，所述第一引导磁体、第二引导磁体以及第三引导磁体分别在反射工作腔、第一注波互作用腔以及第二注波互作用腔内形成引导磁场。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明利用内部具有双螺纹结构的布拉格反射器、第一慢波结构以及第二慢波结构设计了可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，利用同一束强流电子注分别与第一慢波结构和第二慢波结构发生注波互作用，产生两种频率的TM01模式的反向电磁波，当该电磁波进入到布拉格反射器的反射工作腔中后通过模式耦合作用转换成TE11模式的电磁波并反射到辐射端，本发明可在不需要外接模式转换器的情况下就可以很好地实现直接输出TE11模式的双频电磁波；
2.本发明中的布拉格反射腔中，利用模式耦合原理以及在外加磁场的引导作用下，使电磁波的模式转换，将反向的TM01模式电磁波反射转换为前向的TE11模式电磁波，使其在第二慢波结构的辐射端输出具有拍波效应的电磁波，本发明中的第一慢波结构和第二慢波结构中的波纹表面可根据实际需要进行相应设计，同时，布拉格反射器中的双螺纹结构也需要根据工作频率进行相应结构设计。
附图说明
图1是本发明提供的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器的正面剖视图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，以下文字的目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明可按照如下方式实施，一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，包括布拉格反射器3、同轴连接于布拉格反射器3末端的第一慢波结构7，所述第一慢波结构7的末端同轴连接有第二慢波结构8，且第二慢波结构8端部设有电子收集极13，最后电子注2完成注波互作用后掉落在电子收集极13；所述布拉格反射器3始端的内部同轴设置有电子注发射枪1，电子注发射枪1的端部设有环形状的电子注发射阴极14，电子注发射阴极14发射电子注2，布拉格反射器3内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔 10；所述布拉格反射器3、第一慢波结构7以及第二慢波结构8的外部均设有引导磁体，第一慢波结构7和第二慢波结构8的内部分别同轴设置有第一注波互作用腔11和第二注波互作用腔12。作为优选的，电子注发射枪1在460kV的电压下场致发射电流强度为4.3kA的环形强流的电子注2，以上所述的布拉格反射器 3、第一慢波结构7以及第二慢波结构8同轴设置于中轴线9上。
所述反射工作腔10的内表面设有由两个螺旋方向相反的左旋螺纹结构和右旋螺纹结构相结合而成的双螺纹结构。作为优选的，双螺纹结构的平均内半径为20.3mm，平均螺纹深度为2.5mm，螺纹间距为17.4mm，反射器长度为 208.5mm。
所述第一注波互作用腔11可将电子注发射阴极14发射的电子注2与第一慢波结构7进行注波互作用从而产生与电子注2反向的TM01模式的第一电磁波，第二注波互作用腔12可将电子注发射阴极14发射的电子注2与第二慢波结构8进行注波互作用从而产生与电子注2反向的TM01模式的第二电磁波，反射工作腔10 通过模式耦合将TM01模式的第一电磁波和第二电磁波转换成与电子注2同向的 TE11模式的第三电磁波且第二慢波结构8的末端设有用于输出TE11模式的第三电磁波的辐射端，辐射端输出的是TE11模式的双频电磁波，并具有拍波效应。
如上所述，当电子注2通过第一慢波结构7的第一注波互作用腔11时，发生注波互作用，产生一个沿电子注2反向行进的TM01模式的第一电磁波；此时，由于电子注2一部分能量发生交换，导致电子注2能量下降，电子注2的速度也降低，在第三引导磁体6产生的引导磁场引导下进入第二慢波结构8的第二注波互作用腔12，尽管此时的电子注2能量和速度下降，但仍然符合第二慢波结构8 的起振条件，因此，在第二慢波结构8的第二注波互作用腔12中继续发生注波互作用，产生了第二种沿电子注2反向行进的TM01模式的第二电磁波。当两种频率的TM01模式电磁波沿着电子注2反向的方向上行进到反射工作腔10中时，通过发生模式耦合，反向行进的TM01模式电磁波被转换成与电子注2同向的TE11模式电磁波，最后输出到辐射端。
所述第一慢波结构7和第二慢波结构8的内表面分别设有呈起伏波纹状的第一波纹表面和第二波纹表面，且第一波纹表面和第二波纹表面的波纹深度和波纹周期数量均不相同。作为优选的，所述的第一慢波结构7内的第一波纹表面，其波纹周期为13mm，波纹深度为2.3mm，平均半径均为30mm，具有6个波纹周期，总长度为78mm。所述的第二慢波结构8内的波纹表面，其波纹周期为14mm，波纹深度为3mm，平均半径均为30mm，具有8个周期，总长度为112mm；
上述所述的环形强流的电子注2通过第一慢波结构7互作用腔时产生的电磁波频率是9.4GHz；通过第二慢波结构8互作用腔时产生的电磁波频率是8.7GHz。
所述第一波纹表面和第二波纹表面均由多个波纹周期依次平行连接而成；所述第一波纹表面设有6个波纹周期，第二波纹表面设有8个波纹周期。
所述反射工作腔10、第一注波互作用腔11以及第二注波互作用腔12均设为真空腔。
所述引导磁体包括第一引导磁体4、第二引导磁体5以及第三引导磁体6，所述第一引导磁体4、第二引导磁体5以及第三引导磁体6分别在反射工作腔10、第一注波互作用腔11以及第二注波互作用腔12内形成引导磁场。所述第一引导磁体4、第二引导磁体5以及第三引导磁体6均为空心圆柱形磁体，分别将布拉格反射器3、第一慢波结构7、第二慢波结构8包围在其中心内，并产生轴向的引导磁场，且所产生的轴向引导磁场均为1.9T。
本发明的工作原理如下：
本发明利用同一强流电子注2分别与两段慢波结构发生注波互作用，在外加磁场(第二引导磁体5)的引导下先与第一慢波结构7发生注波互作用并产生第一种频率的反向TM01模式电磁波，接着因能量交换而降低速度的电子注2进入第二慢波结构8，在外加磁场(第三引导磁体6)的引导下在第二慢波结构8互作用腔中发生注波互作用，产生第二种频率的反向TM01模式电磁波。两种频率的TM01模式电磁波沿着电子注2反向的方向进入到反射工作腔10中，利用模式耦合原理，在外加磁场(第一引导磁体4)的引导下，发生模式转换，将反向的TM01模式电磁波反射为前向的TE11模式电磁波，在第二慢波结构8的末端输出具有拍波效应的电磁波。本发明中的两段慢波结构可根据实际需要进行相应设计，同时，布拉格反射器3也需要根据工作频率进行相应设计。
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，包括布拉格反射器、同轴连接于布拉格反射器末端的第一慢波结构，所述第一慢波结构的末端同轴连接有第二慢波结构，且第二慢波结构端部设有电子收集极；所述布拉格反射器始端的内部同轴设置有电子注发射枪，电子注发射枪的端部设有环状的电子注发射阴极，布拉格反射器内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔；所述布拉格反射器、第一慢波结构以及第二慢波结构的外部均设有引导磁体，第一慢波结构和第二慢波结构的内部分别同轴设置有第一注波互作用腔和第二注波互作用腔。
2.根据权利要求1所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述反射工作腔的内表面设有由两个螺旋方向相反的左旋螺纹结构和右旋螺纹结构相结合而成的双螺纹结构。
3.根据权利要求1所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述第一注波互作用腔可将电子注发射阴极发射的电子注与第一慢波结构进行注波互作用从而产生与电子注反向的TM01模式的第一电磁波，第二注波互作用腔可将电子注发射阴极发射的电子注与第二慢波结构进行注波互作用从而产生与电子注反向的TM01模式的第二电磁波，反射工作腔通过模式耦合将TM01模式的第一电磁波和第二电磁波转换成与电子注同向的TE11模式的第三电磁波且第二慢波结构的末端设有用于输出TE11模式的第三电磁波的辐射端。
4.根据权利要求1所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述第一慢波结构和第二慢波结构的内表面分别设有呈起伏波纹状的第一波纹表面和第二波纹表面，且第一波纹表面和第二波纹表面的波纹深度和波纹周期数量均不相同。
5.根据权利要求4所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述第一波纹表面和第二波纹表面均由多个波纹周期依次平行连接而成。
6.根据权利要求4所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述第一波纹表面设有6个波纹周期，第二波纹表面设有8个波纹周期。
7.根据权利要求1所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述反射工作腔、第一注波互作用腔以及第二注波互作用腔均设为真空腔。
8.根据权利要求1所述的可直接输出TE11模式电磁波的双频相对论返波振荡器，其特征在于，所述引导磁体包括第一引导磁体、第二引导磁体以及第三引导磁体，所述第一引导磁体、第二引导磁体以及第三引导磁体分别在反射工作腔、第一注波互作用腔以及第二注波互作用腔内形成引导磁场。
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