CN107591604B - 一种可输出双频te11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器 - Google Patents
一种可输出双频te11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及高功率微波器件技术领域，公开了一种可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器,包括布拉格反射器、与其同轴连接的外导体慢波结构，所述布拉格反射器始端的内部同轴设置有电子注发射枪，电子注发射枪上设有环形电子注发射阴极，布拉格反射器内设有反射工作腔；所述外导体慢波结构内嵌有与其同轴的内导体慢波结构，外导体慢波结构与内导体慢波结构之间的空腔形成注波互作用腔；所述布拉格反射器和外导体慢波结构的外部均设有引导磁体，本发明利用双电子注分别与内、外双导体慢波结构进行注波互作用产生两个反向的TM01模式电磁波，利用布拉格反射器设计使得反向行进的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。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器。
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，通过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工作腔结构，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输出双频TE11模式电磁波的双电子注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：一种可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，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外导体慢波结构，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双层同心的环形电子注发射阴极，布拉格反射器内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔；所述外导体慢波结构内嵌有与其同轴的内导体慢波结构，外导体慢波结构的内表面与内导体慢波结构的外表面之间的空腔形成注波互作用腔且外导体慢波结构端部设有电子收集极；所述布拉格反射器和外导体慢波结构的外部分别设有第一引导磁体和第二引导磁体。
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，所述注波互作用腔可将环形电子注发射阴极发射的位于外层的电子注与外导体慢波结构进行注波互作用产生与电子注反向的TM01模式的第一电磁波，所述注波互作用腔可将环形电子注发射阴极发射的位于内层的电子注与内导体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，反射工作腔可将TM01模式的电磁波转换成与电子注同向的TE11模式的电磁波且外导体慢波结构的末端设有用于输出TE11模式的电磁波的辐射端。
进一步地，所述外导体慢波结构的内表面和内导体慢波结构的外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不同。
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，所述波纹周期设有9个。
进一步地，所述反射工作腔和注波互作用腔均设为真空腔。
进一步地，所述第一引导磁体和第二引导磁体分别在反射工作腔和注波互作用腔内形成引导磁场。
进一步地，所述外导体慢波结构的内表面上沿径向方向连接有连接杆，连接杆的端部连接有延长杆，延长杆与所述内导体慢波结构的端部相连。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明利用内部设有双螺纹结构的布拉格反射器、内、外导体波纹慢波结构设计成可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，其利用两束同心强流环形电子注分别与内、外导体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，TM01模式的反向电磁波进入到布拉格反射腔中后被转换成TE11模式的电磁波并反射到辐射端，本发明中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，使电磁波发生模式转换，将反向的TM01模式电磁波反射转换为前向的TE11模式电磁波，使其在内、外导体慢波结构的辐射端输出具有拍波效应的电磁波，本发明中的内、外导体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的结构设计。
附图说明
图1是本发明的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器的正面剖视图；
图2是本发明的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器中双螺纹结构示意图。
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、图2所示，本发明可按照如下方式实施，一种可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，包括布拉格反射器4、同轴连接于布拉格反射器4末端的外导体慢波结构5，所述布拉格反射器4始端的内部同轴设置有电子注发射枪1，电子注发射枪1的端部设有双层同心的环形电子注发射阴极15，环形电子注发射阴极15可同时发射内外两层环形电子注，即通过在环形电子注发射阴极15上加载强电压产生位于内层的电子注(即内层电子注2)和位于外层的电子注(即外层电子注3)，内层电子注2的半径小于外层电子注3的半径，布拉格反射器4内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔10；所述外导体慢波结构5内嵌有与其同轴的内导体慢波结构6，外导体慢波结构5的内表面与内导 体慢波结构6的外表面之间的空腔形成注波互作用腔11且外导体慢波结构5端部设有电子收集极12，当电子注完成注波互作用后掉落在电子收集极12上；所述布拉格反射器4和外导体慢波结构5的外部分别设有第一引导磁体7和第二引导磁体8。作为优选的，所述的电子注发射阴极在625kV的电压下爆炸发射电流强度为24kA的双层同心的环形电子注，以上所述的布拉格反射器4、外导体慢波结构5以及内导体慢波结构6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16。作为优选的，双螺纹结构16的平均内半径为47.3mm，平均螺纹深度为2.5mm，螺纹间距为17.4mm，反射器长度为208.5mm。
所述注波互作用腔11可将环形电子注发射阴极15发射的外层电子注3与外导体慢波结构5进行注波互作用产生与电子注反向的TM01模式的第一电磁波，所述注波互作用腔可将环形电子注发射阴极发射15的内层电子注2与内导体慢波结构6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10通过模式耦合将两个反向的TM01模式的电磁波转换成与环形电子注发射阴极15发射的电子注方向同向的TE11模式的电磁波且外导体慢波结构5的末端设有用于输出TE11模式的电磁波的辐射端，以上所述产生的双频电磁波的频率分别是11.5GHz和12.2GHz，具备拍波效应；即内层电子注2通过注波互作用腔11时，与内导体慢波结构6发生注波互作用产生的电磁波频率是11.5GHz；外层电子注3通过注波互作用腔11时，与外导体慢波结构5发生注波互作用产生的电磁波频率是12.2GHz。
所述外导体慢波结构5的内表面和内导体慢波结构6的外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，第一波纹表面和第二波纹表面分别设置在外导体慢波结构5和内导体慢波结构6的径向表面上，且第一波纹表面和第二波纹表面的波纹深度不同。
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，所述波纹周期设有9个，其中，外导体慢波结构5的波纹周期长度为10mm，波纹深度为3mm，平均半径为61.7mm，总长度为90mm；内导体慢波结构6的波纹周期长度为10mm，波纹深度为3.2mm，平均半径为23.6mm，总长度为90mm。
所述反射工作腔10和注波互作用腔11均设为真空腔，保证电磁波分别在反射工作腔10和注波互作用腔11内正常作用。
所述第一引导磁体7和第二引导磁体8分别在反射工作腔10和注波互作用腔11内形成引导磁场，第一引导磁体7和第二引导磁体8均为空心圆柱形磁体，把布拉格反射器4、外导体慢波结构5包围在其中心，并产生轴向的引导磁场；所述的第一引导磁体7产生的轴向引导磁场为1.9T，第二引导磁体8产生的轴向引导磁场为0.77T。
作为优选方式，所述外导体慢波结构5的内表面上沿径向方向连接有连接杆14，连接杆14的端部连接有延长杆13，延长杆13与所述内导体慢波结构6的端部相连；所述的内导体慢波结构6同轴设置在外导体慢波结构5内部，通过一个延长杆13与延长杆13两侧的连接杆14相连进行固定。
本发明的工作原理如下：
本发明利用两束环形强流电子注分别与内外两个周期波纹慢波结构发生注波互作用，在外加磁场的引导下外层的环形强流电子注与外导体慢波结构5发生注波互作用并产生第一种频率的反向TM01模式电磁波，同时，内层的环形强流电子注与内导体慢波结构6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反向的方向进入到双螺纹布拉格反射工作腔10中，利用模式耦合原理，在外加磁场的引导下，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，在内外双导体慢波结构的末端输出具有拍波效应的电磁波。本发明中的内外双导体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4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 (5)
1.一种可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，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外导体慢波结构，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双层同心的环形电子注发射阴极，布拉格反射器内同轴设置有用于模式耦合的反射工作腔；所述布拉格反射器和外导体慢波结构的外部分别设有第一引导磁体和第二引导磁体；
其特征在于，
所述外导体慢波结构内嵌有与其同轴的内导体慢波结构，外导体慢波结构的内表面与内导体慢波结构的外表面之间的空腔形成注波互作用腔且外导体慢波结构端部设有电子收集极；
所述注波互作用腔可将环形电子注发射阴极发射的位于外层的电子注与外导体慢波结构进行注波互作用产生与电子注反向的TM01模式的第一电磁波，所述注波互作用腔可将环形电子注发射阴极发射的位于内层的电子注与内导体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，反射工作腔可将TM01模式的电磁波转换成与电子注同向的TE11模式的电磁波且外导体慢波结构的末端设有用于输出TE11模式的电磁波的辐射端；
所述外导体慢波结构的内表面和内导体慢波结构的外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不同；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；所述波纹周期设有9个；
所述内导体慢波结构、内层的电子注、外层的电子注和外导体慢波结构沿中心轴的径向自内向外依次布置；
外导体慢波结构5的波纹周期长度为10mm，波纹深度为3mm，平均半径为61.7mm，总长度为90mm；内导体慢波结构6的波纹周期长度为10mm，波纹深度为3.2mm，平均半径为23.6mm，总长度为90mm；
两束环形强流的所述电子注分别与内外两个周期波纹慢波结构发生注波互作用，在外加磁场的引导下外层的环形强流电子注与外导体慢波结构5发生注波互作用并产生第一种频率的反向TM01模式电磁波，同时，内层的环形强流电子注与内导体慢波结构6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反向的方向进入到双螺纹布拉格反射工作腔10中，利用模式耦合原理，在外加磁场的引导下，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，在内外双导体慢波结构的末端输出具有拍波效应的电磁波。
2.根据权利要求1所述的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，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所述的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，其特征在于，所述反射工作腔和注波互作用腔均设为真空腔。
4.根据权利要求1所述的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，其特征在于，所述第一引导磁体和第二引导磁体分别在反射工作腔和注波互作用腔内形成引导磁场。
5.根据权利要求1所述的可输出双频TE11模式电磁波的双电子注相对论返波振荡器，其特征在于，所述外导体慢波结构的内表面上沿径向方向连接有连接杆，连接杆的端部连接有延长杆，延长杆与所述内导体慢波结构的端部相连。
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