CN107768216B - 一种高效率级联返波振荡器 - Google Patents

一种高效率级联返波振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效率级联返波振荡器，通过在方波导腔体中间纵向插入周期性互补开口谐振环结构从而形成周期性慢波结构，然后通过一段漂移管将两段周期性互补开口谐振环结构相连接形成级联结构，再在两段周期性互补开口谐振环结构的首端和末端各添加一谐振反射器，使得第一段互作用产生的能量经过反射在第一段周期性互补开口谐振环结构的末端端口输出，而第二段互作用产生的能量经过反射在第二段周期性互补开口谐振环结构的首端端口输出，最后将第一段末端口输出的能量信号和第二段首端口输出的能量信号通过Y型分支合成波导进行信号的合成，形成总能量信号进行输出。

Description

一种高效率级联返波振荡器
技术领域
本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种高效率级联返波振荡器。
背景技术
电真空器件是指在真空状态下或者特定气体中，利用电子或离子实现信号放大、震荡或转换的有源器件。自20世纪30年代末被科学家提出，并在二战期间发挥了关键性作用以来，电真空器件一直被广泛运用于各种军事和民用领域。在随后的几十年里，科学技术的不断突破和各国军事需求的带动下，微波电真空器件得到迅猛的发展，出现了磁控管、速调管、行波管、返波管、回旋管、奥罗管等各类电真空器件，随后也出现了如虚阴极振荡器、切伦科夫器件、渡越管等相对论器件以及其他新型器件如真空太赫兹器件、微波功率模块、等离子体填充器件等。电真空器件具有功率输出高、能量转化快等特点不仅可以被广泛运用于军事领域，极大程度提升我方防御能力和战斗力，特别是雷达检测、卫星通信，精确制导、电子对抗等军事通讯领域，还可以被广泛应用于医疗、广播电台、工业制造等领域中，比如高清晰医学成像技术在宽频带、高功率、高频率的要求下都离不开电真空器件。虽然后来半导体行业迅猛兴起，给电真空器件带来了不小的挑战，人们还一度认为微波电子器件将被半导体器件完全取代，但只有微波真空电子器件才能同时满足，尤其是在军事领域的高功率、宽频带和高频率的特殊工作要求。因此在高频率、大功率、宽频带的需求情况下，微波真空电子器件仍占有绝对的优势。现代军事技术迅速发展，许多军事设备都需要更高性能的微波真空电子器件，高频率、高功率、高效率、高可靠性和宽频带，也成为了微波真空电子器件新的发展方向。新型实用的电子器件还有待开发，从目前电子技术的发展规律来看，完全取代微波真空电子器件是不可能的。在今后相当长的时间内，真空电子器件将继续在军事系统中持续占领重要的地位。
返波振荡器作为一种能够作为信号源的微波电子管，是目前发展比较成熟和有效的一种高功率真空电子学信号源，能够被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。返波管是利用固有的内反馈机制激励微波振荡从而产生信号放大的一种电真空器件。从阴极发射的电子注具有速度及密度起伏(即电子注的噪声)，当它们紧贴着慢波结构行进时，会感应起相应的噪声电磁波。另外电子注在高频场的作用下，产生速度调制与密度调制，使多数电子群聚于高频场的减速场区，带电粒子给场以能量，使高频场幅值增长。高频场能量相反于电子运动方向的传播过程中，增长的高频场又进一步调制电子注，使电子注群聚得更好，群聚电子注在合适的相位下，又不断给场以更多能量，使高频场幅值进一步增长，从而激励起相干辐射或放大电磁波。在军事航天、民用医疗等领域高速发展的今天，发展一种结构简单、灵活小巧，易于加工的高功率、高效率返波放大器具有重要的现实意义和战略意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效率级联返波振荡器，由两段周期性互补开口谐振环结构通过一段漂移管相连接形成级联结构，从而提升返波振荡器的输出功率和实现高效率。
为实现上述发明目的，本发明一种高效率级联返波振荡器，其特征在于，包括：
一周期性慢波结构，包括周期性互补开口谐振环和方波导腔体，在方波导腔体中间位置处纵向插入周期性互补开口谐振环，从而形成周期性慢波结构；
其中，周期性互补开口谐振环包括第一段周期性互补开口谐振环结构和第二段周期性互补开口谐振环结构；
在每一段周期性互补开口谐振环结构中，每个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；多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于方波导腔体两个长边之间上下中间位置，水平纵向(沿方波导腔体传输方向)依次插入方波导腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对其，且与方波导腔体的长边一致，这样形成所述的一段周期性互补开口谐振环结构；
每一段周期性互补开口谐振环结构的上下表面与方波导腔体的上下空间形成电子通道，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；
两组谐振反射器，每组谐振反射器均为一个方形谐振腔体结构，且一端分别与周期性互补开口谐振环结构相连接，另一端分别连接一矩形金属块状物，作为阴极；谐振反射器使得第一段周期性互补开口谐振环结构相互作用产生的能量经过反射后在第一段周期性互补开口谐振环结构的末端端口输出，而第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用产生的能量经过反射后在第二段周期性互补开口谐振环结构的首端端口输出；
四组探针，每组探针均由一段一定长度的圆柱形金属细长杆构成，在每段周期性互补开口谐振环结构的两端各连接一组探针，一端的探针伸入到谐振反射器内，另一端的探针伸入到Y型分支波导内，微波信号在方波导腔体内形成谐振，并通过探针进行能量的耦合，输出至Y型分支波导；
一漂移管，为一段截至波导，与Y型分支波导两端相连，使得电磁波传输截止，但能够保证电子注顺利通过，同时还可以形成漂移区，让通过第一段周期性互补开口谐振环结构后的带电粒子重新进行密度调制，使带电粒子重新落入加速区，使其与第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用，这样两段周期性互补开口谐振环结构通过漂移管相连接形成的级联结构，能够很大程度上提升管子的输出功率和电子效率；
一Y型分支波导，由三个标准C波段波导成Y型连接而成，Y型分支波导两端分别与第一段周期性互补开口谐振环结构的末端、第二段周期性互补开口谐振环结构的首端相连，Y型分支波导对接收到的能量信号进行合成，再通过输出端口输出。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种高效率级联返波振荡器，通过在方波导腔体中间纵向插入周期性互补开口谐振环结构从而形成周期性慢波结构，然后通过一段漂移管将两段周期性互补开口谐振环结构相连接形成级联结构，再在两段周期性互补开口谐振环结构的首端和末端各添加一谐振反射器，使得第一段互作用产生的能量经过反射在第一段周期性互补开口谐振环结构的末端端口输出，而第二段互作用产生的能量经过反射在第二段周期性互补开口谐振环结构的首端端口输出，最后将第一段末端口输出的能量信号和第二段首端口输出的能量信号通过Y型分支合成波导进行信号的合成，形成总能量信号进行输出。这样的级联结构方式能够使得电子注在第一段周期性互补开口谐振环结构输出后的漂移管中重新进行调制，使电子重新落入加速区，从而与第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用，很大程度上提升返波振荡器的输出功率和实现高效率。
附图说明
图1是本发明一种高效率级联返波振荡器的结构原理图；
图2是本发明一种高效率级联返波振荡器的剖面图；
图3是单个互补开口环谐振结构示意图；
图4是级联返波振荡器无Y型分支波导的双端口输出示意图；
图5是Y型分支波导结构示意图；
图6是本发明提供带状电子注通过慢波结构示意图；
图7是本发明单段慢波结构返波振荡器结构示意图；
图8是本发明级联返波振荡器前向结构尺寸示意图；
图9是本发明提供的级联返波振荡器俯视结构尺寸示意图；
图10是本发明提供的级联返波振荡器侧视结构尺寸示意图；
图11是单段慢波结构返波震荡器输出信号图；
图12是本发明提供级联双端口返波振荡器输出信号图；
图13是本发明提供级联返波振荡器输出信号图；
图14是本发明提供Y型分支波导级联返波振荡器、双端口输出级联返波振荡器，单段返波振荡器输出功率，电子效率对比图。
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。
实施例
图1是本发明一种高效率级联返波振荡器的结构原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种高效率级联返波振荡器，包括：阴极A，与第一段周期性互补开口谐振环结构首端连接的谐振反射器B，第一段周期性互补开口谐振环结构C，漂移管F，Y型分支波导D，第二段周期性互补开口谐振环结构E以及与第二段周期性互补开口谐振环结构末端连接的谐振反射器G共七个部分组成。
下面我们结合图2对高效率级联返波振荡器内部结构及工作原理进行详细描述。
两段周期性互补开口谐振环结构4纵向插入方波导腔体中间位置形成周期性慢波结构；
在本实施例中，第一段慢波结构由9个互补开口环谐振环结构构成，第二段周期性慢波结构由4个互补开口环谐振结构构成；如图3(a)所示，每个单周期慢波结构是由一个互补开口谐振环2插入方波导1中间位置构成；如图3(b)所示，每个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；多个互补开口环谐振结构的金属矩形框置于方波导腔体两个长边之间上下中间位置，水平纵向(沿方波导腔体传输方向)依次插入方波导腔体中，每个互补开口环谐振结构的长边纵向对齐，且与方波导腔体的长边一致，这样形成所述的一段周期性互补开口谐振环结构；
每一段周期性互补开口谐振环结构的上下表面与方波导腔体的上下空间形成电子通道，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；
在本实施例中，一个互补开口环谐振结构尺寸如下：互补开口谐振环结构2厚度为t，内部长宽尺寸为L2*L2，外部长宽尺寸为L1*L1，开口间隙为d2，横向枝节长度为W2，宽度为d1，纵向枝节宽度为W1，矩形波导外壳的高度为L1，如图3(b)和图3(c)所示。方形波导外壳1和互补开口谐振环结构2材料均为无氧铜。
其中，金属矩形框的窄边L2和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L2<0.25λ，横向枝节的长度W2和金属矩形框的长边L1满足：2W2<L1，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。
如图2所示，谐振反射器3为一个方形谐振腔体结构，其中，第一组谐振反射器一端与第一段周期性互补开口谐振环结构的首端相连接，另一端连接一矩形金属块状物，作为阴极；第二组谐振反射器直接与第二段周期性互补开口谐振环结构尾端相连接；第一组谐振反射器使得第一段周期性互补开口谐振环结构注-波互作用产生的能量信号经过反射后在其末端输出，而第二组谐振反射器使得第二段周期性互补开口谐振环结构注-波互作用产生的能量信号经过反射后在其首端输出。
如图2所示，谐振反射器3均为一个方形谐振腔体结构，且一端分别与周期性互补开口谐振环结构相连接，另一端分别连接一矩形金属块状物，作为阴极1；其中，第一段周期性互补开口谐振环结构的首端添加了一个谐振反射器用来反射信号，所述的第二段周期性互补开口谐振环结构的终端添加了一个谐振反射器用来反射信号。
谐振反射器使得第一段周期性互补开口谐振环结构相互作用产生的能量经过反射后在第一段周期性互补开口谐振环结构的末端端口输出，而第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用产生的能量经过反射后在第二段周期性互补开口谐振环结构的首端端口输出。
如图2所示，探针2均由一段一定长度的圆柱形金属细长杆构成，在每段周期性互补开口谐振环结构的两端各连接一组探针，一端的探针伸入到谐振反射器内，另一端的探针伸入到Y型分支波导内，微波信号在方波导腔体内形成谐振，并通过探针进行能量的耦合，输出至Y型分支波导。
如图2所示，漂移管5为一段截至波导，与Y型分支波导7两端相连，使得电磁波传输截止，但能够保证电子注顺利通过，同时还可以形成漂移区，让通过第一段周期性互补开口谐振环结构后的带电粒子重新进行密度调制，使带电粒子重新落入加速区，使其与第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用，这样两段周期性互补开口谐振环结构通过漂移管相连接形成的级联结构，能够很大程度上提升管子的输出功率和电子效率；
如图2所示，Y型分支波导7由三个标准C波段波导成Y型连接而成，Y型分支波导两端分别与第一段周期性互补开口谐振环结构的末端、第二段周期性互补开口谐振环结构的首端相连，Y型分支波导对接收到的能量信号进行合成，再通过输出端口输出；在本实施例中，在三个标准C波段波导的连接处进行了90°圆弧倒角处理。
图4为本发明新型级联返波放大器未加Y型分支波导结构示意图，整管结构包括两个输出端口1、2以及第一段周期性互补开口谐振环结构A，漂移段B，第二段周期性互补开口谐振环结构C。
图5为Y型分支波导结构示意图，Y型分支波导是由两个标准方波导A,一个标准方波导C以及两个弯波导B组成，其中波导B是由A波导弯曲90°构成。
图6为本发明新型级联型返波放大器带状电子注通过慢波电路结构示意图，带状电子注从阴极发出，经过第一段周期性互补开口谐振环结构1表面与之高频信号发生相互作用并交出能量，再通过漂移区后继续和第二段周期性互补开口谐振环结构2相互作用。
图7本发明单段慢波结构返波振荡器结构示意图，由发射阴极1、慢波结构2、输出波导3、带状电子注4、探针耦合装置5组成，用于和本发明级联型返波振荡器作对比。
图8是本发明提供级联型返波振荡器前向结构尺寸示意图，具体实施方案的结构尺寸如下：n1＝9,n2＝4,w1＝21.15mm,w2＝10mm,w3＝8.4mm,w4＝23mm,h1＝20mm,h2＝22.5mm,h3＝20mm,h4＝11mm,c＝4.5mm,An＝90°。
图9是本发明提供的级联型返波振荡器俯视结构尺寸示意图，具体实施方案的结构尺寸如下：L2＝47.55mm,w5＝11mm,w6＝10mm。
图10是本发明提供的级联型返波振荡器侧视结构尺寸示意图,具体实施方案的结构尺寸如下:sl＝8mm，kl＝1.5mm，st＝1.5mm,kt＝1.5mm。
图11是本发明提供的级联型返波振荡器侧视结构尺寸示意图，整管工作电压为275kV，直流电流为80A，聚焦磁场为3T，可以看出输出电压信号在50ns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100ns，将输出信号的电平幅值换算成功率可得单段慢波结构的返波振荡器能够产生8.122MW峰值输出功率，对应的电子效率为36.91％。
图12是本发明提供级联型双端口返波振荡器输出信号图，整管工作电压为275kV，直流电流为80A，聚焦磁场为3T，可得出端口1输出功率为8.122MW，对应的电子效率为36.91％；端口2输出功率为4.326MW，对应电子效率为24.58％，由此可得出整管的输出功率为12.448MW,对应的电子效率为56.58％。
图13是本发明提供级联型返波振荡器输出信号图。整管工作电压为275kV，直流电流为80A，聚焦磁场为3T，可得出输出功率为17.61MW，对应的电子效率为80.07％。
图14是本发明提供级联型双端口返波振荡器、双端口输出级联返波振荡器，单段返波振荡器输出功率，电子效率对比图。可以看出，在相同工作条件下本发明提供级联型双端口返波振荡器有最高的输出功率和电子效率，并且输出功率较双端口级联型返波振荡器提高了41.46％，电子效率提高了41.51％；和传统单段慢波结构的返波振荡器相比输出功率提高了116.82％，相应电子效率提高了116.93％。
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 (4)

1.一种高效率级联返波振荡器，其特征在于，包括：
一周期性慢波结构，包括周期性互补开口谐振环和方波导腔体，在方波导腔体中间位置处纵向插入周期性互补开口谐振环，从而形成周期性慢波结构；
其中，周期性互补开口谐振环包括第一段周期性互补开口谐振环结构和第二段周期性互补开口谐振环结构；
在每一段周期性互补开口谐振环结构中，每个互补开口谐振环结构的外围是一个金属矩形框，在金属矩形框的一条长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，在金属矩形框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；多个互补开口谐振环结构的金属矩形框置于方波导腔体两个长边之间上下中间位置，水平纵向依次插入方波导腔体中，每个互补开口谐振环结构的长边纵向对齐，且与方波导腔体的长边方向一致，这样形成所述的一段周期性互补开口谐振环结构；
每一段周期性互补开口谐振环结构的上下表面与方波导腔体的上下空间形成电子通道，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；
两组谐振反射器，每组谐振反射器均为一个方形谐振腔体结构；其中，第一组谐振反射器一端与第一段周期性互补开口谐振环结构的首端相连接，另一端连接一矩形块状物，作为阴极；第二组谐振反射器直接与第二段周期性互补开口谐振环结构尾端相连接；第一组谐振反射器使得第一段周期性互补开口谐振环结构注-波互作用产生的能量信号经过反射后在其末端输出，而第二组谐振反射器使得第二段周期性互补开口谐振环结构注-波互作用产生的能量信号经过反射后在其首端输出；
四组探针，每组探针均由一段一定长度的圆柱形金属细长杆构成，在每段周期性互补开口谐振环结构的两端各连接一组探针，一端的探针伸入到谐振反射器内，另一端的探针伸入到Y型分支波导内，微波信号在方波导腔体内形成谐振，并通过探针进行能量的耦合，输出至Y型分支波导；
一漂移管，为一段截至波导，与Y型分支波导两端相连，使得电磁波传输截止，但能够保证电子注顺利通过，同时还可以形成漂移区，让通过第一段周期性互补开口谐振环结构后的带电粒子重新进行密度调制，使带电粒子重新落入加速区，使其与第二段周期性互补开口谐振环结构相互作用，这样两段周期性互补开口谐振环结构通过漂移管相连接形成级联结构；
一Y型分支波导，由三个标准C波段波导成Y型连接而成，Y型分支波导两端分别与第一段周期性互补开口谐振环结构的末端、第二段周期性互补开口谐振环结构的首端相连，Y型分支波导对接收到的能量信号进行合成，再通过输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的一种高效率级联返波振荡器，其特征在于，所述的第一段周期性互补开口谐振环结构中由9个互补开口谐振环结构构成，所述的第二段周期性互补开口谐振环结构中由4个互补开口谐振环结构构成。
3.根据权利要求1所述的一种高效率级联返波振荡器，其特征在于，所述的Y型分支波导中，在三个标准C波段波导的连接处进行了90°圆弧倒角处理。
4.根据权利要求1所述的一种高效率级联返波振荡器，其特征在于，所述的金属矩形框的窄边L2和传输的电磁波工作波长λ的关系满足：L2<0.25λ，横向枝节的长度W2和金属矩形框的长边L1满足：2W2<L1，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。
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