CN107968030B - 一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内同轴注入大过模同轴相对论速调管放大器，该方案包括有同轴内导体、同轴外导体、输出耦合器、输出波导、输出波导模式变换器、收集极、输入波导模式变换器、矩形输入波导、内部同轴输入波导和径向线波导耦合器。该方案中输入腔的耦合系统采用了内同轴波导耦合系统，激励段模式角向理想均匀分布，所以在输入腔内可以激励角向均匀的TM₀₁模式，抑制非对称模式的激励，从而保证器件运行时不会出现非对称模式自激振荡。具有输入腔角向模式激励均匀，空间电荷效应弱，功率容量高，高增益，束波转换效率高，长脉冲运行的特点，可以实现高功率毫米波的高增益稳定放大辐射。

Description

一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器

技术领域

本发明涉及的是高功率微波技术领域，尤其是一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器。

背景技术

高功率微波是指峰值功率大于100MW，频率范围1GHz-100GHz的电磁波。由于高功率微波技术在众多领域中有重要的应用前景吸引了国内外研究者的广泛关注，并得到了快速的发展。为了进一步提高高功率微波在工业和军事等方面的应用，需要发展更高功率、更高频率、紧凑型的高功率微波源。由于相对论速调管具有稳频稳相、高增益、高峰值功率、高效率等特点，在新型加速器、高功率雷达、新型通信系统等领域都有广泛的应用，使其成为非常有潜力的一类高功率微波源。传统的相对论速调管放大器在向更高频段发展时由于频率与尺寸共渡效应的影响，在高频段的相对论速调管放大器横向尺寸非常小，导致器件内空间电荷效应、射频电场都急剧增大。强的空间电荷效应使得电子束的动能大量转换为势能，在注波互作用时效率大大降低；高的射频电场导致谐振腔打火，器件无法稳定运行，限制了其在高频段的发展潜力。为了解决这些物理限制，我们提出采用大过模比的同轴结构作为相对论速调管放大器的高频结构。大过模比的同轴结构在横向上具有大的尺寸可以克服这些限制，在高频段依然极具发展潜力。

同轴相对论速调管是美国海军实验室的M. Friedman提出的【Efficientgeneration of multigigawatt rf power by a klystronlike amplifier. Review ofScientific Instruments, Vol 61, 171, 1990】，该器件采用同轴内外导体壁上开槽形成谐振腔，种子源信号从二极管区引入并耦合到输入腔中，这种耦合方式需要设计新的二极管装置并面临高压绝缘、结构复杂等诸多问题。利用常规的微波注入采用在同轴相对论速调管外导体壁上开孔进行直接耦合方式结构简单，近年来基于这种结构国内外学者开展了大量的研究，在X波段取得了GW级的功率输出，但是这种结构的过模比不大，一般为1-3。同轴结构向更高频段发展时需要引入大过模比，过模比接近10甚至超过10，传统的微波注入与提取方式已无法工作。

为了满足高功率微波源向更高频段（毫米波）方向发展的需求，发展具有激励角向均匀输入腔模式的大过模比同轴相对论速调管已迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服大过模比同轴相对论速调管放大器中输入腔模式激励时角向均匀度低，容易引人非对称模式如TE11、TE21…等问题，提出一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，该方案在毫米波段具有高的输出功率，高的注波互作用效率。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，包括有同轴内导体、同轴外导体、输出耦合器、输出波导、输出波导模式变换器、收集极、输入波导模式变换器、矩形输入波导、内部同轴输入波导和径向线波导耦合器；同轴内、外导体之间的侧壁上刻有环形槽，依次形成输入腔、第一中间腔、第二中间腔、输出腔；同轴内、外导体之间形成电子束传输通道；输出腔的末端设置有收集极；输出腔的下游连接有输出耦合器；输出耦合器下游设置有输出波导模式变换器；矩形输入波导从同轴外导体外部穿过输出波导模式变换器后伸入同轴内导体中；同轴内导体内部设置有内部同轴输入波导；内部同轴输入波导的末端设置有输入波导模式变换器；内部同轴输入波导位于输入腔的一端设置有径向线波导耦合系统；输出波导模式变换器对同轴内、外导体起到支撑作用；矩形输入波导与输入波导模式变换器连接。

作为本方案的优选：输出波导模式变换器可以将同轴TEM模式变换到扇形TE模式，并传输一段距离后再将扇形TE模式变换到同轴TEM模式；扇形TE模式传输段具有无微波区域；矩形输入波导穿过无微波区域伸入至同轴内导体内部。

作为本方案的优选：输入波导模式变换器能够将矩形波导TE₁₀模式转变为同轴波导TEM模式，并将同轴TEM波经过内部同轴输入波导传输到径向线波导耦合器，在输入腔激励起角向均匀的工作模式。

作为本方案的优选：同轴内、外导体结构过模比远大于1。此处所说的过模比远大于1指过模比至少为10。

作为本方案的优选：矩形输入波导能够将外部种子源信号馈入内部的输入波导模式变换器。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中输入腔的耦合系统采用了内同轴波导耦合系统，激励段模式角向理想均匀分布，所以在输入腔内可以激励角向均匀的TM₀₁模式，抑制非对称模式的激励，从而保证器件运行时不会出现非对称模式自激振荡。另一方面输出段的模式变换器使得输入耦合系统能够容易实现，而且该模式变换器具有宽带宽、高传输效率的特点。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的输入端的放大结构示意图。

图3为图1的输出端的放大结构示意图。

图4为输出波导模式变换器的结构示意图。

图中，1为同轴外导体，2为同轴内导体，3为电子束，5为输入腔，6为第一中间腔，7为第二中间腔，8为输出腔，9为输出耦合器，10为收集极，11为输出波导模式变换器，12为矩形输入波导，13为输入波导模式变换器，14为内部同轴输入波导，15为径向线波导耦合器，16为左侧同轴波导，17为左侧角向均匀分布短金属片，18为左侧角向均匀分布长金属片，19为左侧准光变换段，20为左侧扇形传输通道，21为右侧同轴波导，22为右侧角向均匀分布短金属片，23为右侧角向均匀分布长金属片，24为右侧准光变换段，25为右侧扇形传输通道。

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。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

通过附图能够看出，本方案包括有同轴内导体、同轴外导体、输出耦合器、输出波导、输出波导模式变换器、收集极、输入波导模式变换器、矩形输入波导、内部同轴输入波导和径向线波导耦合器；同轴内、外导体之间的侧壁上刻有环形槽，依次形成输入腔、第一中间腔、第二中间腔、输出腔；同轴内、外导体之间形成电子束传输通道；输出腔的末端设置有收集极；输出腔的下游连接有输出耦合器；输出耦合器下游设置有输出波导模式变换器；矩形输入波导从同轴外导体外部穿过输出波导模式变换器后伸入同轴内导体中；同轴内导体内部设置有内部同轴输入波导；内部同轴输入波导的末端设置有输入波导模式变换器；内部同轴输入波导位于输入腔的一端设置有径向线波导耦合系统；输出波导模式变换器对同轴内、外导体起到支撑作用；矩形输入波导与输入波导模式变换器连接。输出波导模式变换器可以将同轴TEM模式变换到扇形TE模式，并传输一段距离后再将扇形TE模式变换到同轴TEM模式；扇形TE模式传输段具有无微波区域；矩形输入波导穿过无微波区域伸入至同轴内导体内部。输入波导模式变换器能够将矩形波导TE₁₀模式转变为同轴波导TEM模式，并将同轴TEM波经过内部同轴输入波导传输到径向线波导耦合器，在输入腔激励起角向均匀的工作模式。同轴内、外导体结构过模比远大于1。矩形输入波导能够将外部种子源信号馈入内部的输入波导模式变换器。

本方案的工作原理为：微波种子源输出的高频信号馈入到矩形波导中，矩形波导经过TE10-TEM模式变换器将高频信号转换为同轴波导TEM模式传输。同轴TEM模式经过耦合进入径向传输线中，模式依然为TEM模式。径向传输线中TEM模式通过输入腔壁上耦合口激励起输入腔中的TM₀₁模式。阴极发射的直流电子束在轴向磁场的约束下穿过输入腔间隙时，在输入腔工作模式的电场作用下速度受到调制，速度受到调制的电子束进入输入腔后的漂移管得到密度群聚。当群聚电子束穿过第一中间腔和第二中间腔时将会在第一中间腔和第二中间腔的间隙上产生高频感应电流，高频感应电流在中间腔中产生高频电磁，高频电磁进一步对电子束进行速度调制，随后强的速度调制电子束进入第二中间腔后的漂移管中进行密度调制，此时调制后的电子束基波调制比可以达到非常大，调制比能达到120%以上。高调制比的电子束在磁场约束下穿过输出腔，同样在输出腔中产生感应电流，感应电流在输出腔中建立高频场，高频场的能量通过输出腔壁的耦合孔耦合到输出同轴波导中。从而把电子束的部分能量转变为微波能量。电子束穿过输出腔后轰击到收集极上，将自身剩余能量转化为热能。输出波导中的微波经过输出段模式变换器实现传播路径改变，几乎无能量损失的传输到后端的同轴波导中，最后微波通过辐射系统辐射到空间中。

本发明的实施例为：

选择一个Ka波导大过模比同轴速调管放大器（D/λ=7.7），其中漂移管内外半径为33.5mm、36.5mm，输入腔的内外半径为31.80mm、38.05mm，输入腔间隙为1.56mm，径向线波导耦合器内外半径为7.80mm、31.80mm, 径向线波导耦合器宽度为2.6mm，内同轴波导内外半径5.76mm、7.80mm，输入波导模式变换器厚度4.32mm，输入波导模式变换器内外半径为7.80mm、16.78mm，输入波导模式变换器的销钉长度为4.32m、半径为0.5mm，输入波导模式变换器中有7个扇形柱（角度为23°，扇形柱的半径一个为10.6mm，其余六个为11mm），输入腔后的漂移管长度为82mm，第一中间腔内外半径为31.92mm、38.08mm，第一中间腔的间隙宽度为1.66mm，第一中间腔后漂移管长度为75mm，第二中间腔为三间隙结构（间隙内外半径31.92mm、38.08mm，间隙之间周期3.8mm，间隙宽度1.79mm），第二中间腔后漂移管长度为48mm，输出腔为三间隙结构（间隙内外半径为31.63mm、38.41mm，间隙之间的周期为3.2mm，间隙宽度为2.0mm），输出耦合波导内外半径38.41mm、42.42mm，输出耦合变换段长度6.34mm，输出波导内外半径为38.92mm、42.42mm，输出变换段后的同轴输出波导长度为18.15mm，输出段模式变换器中第一段膜片长度分别为5.80mm、7.85mm、膜片数目为14，输出段模式变换器中第一段准光变换段长度为8.0mm，输出段模式变换器中扇形波导角度21°、数目为7，输出波导模式变换器扇形波导段长度40mm，输出波导模式变换器第二段准光变换长度为8.0mm，输出波导模式变换器第二段膜片长度分别为5.80mm、7.85mm，输出同轴波段长度为20mm。

电子束电压为500kV，电子束电流6kA。通过注入2.5kW的高频信号经过输入腔、第一中间腔、第二中间腔的调制后基波电流深度（基波电流幅值与电子束直流电流之比）大于120%。最终经过输出腔作用后产生微波功率大于1GW，器件的饱和增益约56.4dB，3dB带宽约180MHz。

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 (4)

1.一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，其特征是：包括有同轴内导体、同轴外导体、输出耦合器、输出波导、输出波导模式变换器、收集极、输入波导模式变换器、矩形输入波导、内部同轴输入波导和径向线波导耦合器；所述同轴内、外导体之间的侧壁上刻有环形槽，依次形成输入腔、第一中间腔、第二中间腔、输出腔；所述同轴内、外导体之间形成电子束传输通道；所述输出腔的末端设置有收集极；所述输出腔的下游连接有输出耦合器；所述输出耦合器下游设置有输出波导模式变换器；所述矩形输入波导从同轴外导体外部穿过输出波导模式变换器后伸入同轴内导体中；所述同轴内导体内部设置有内部同轴输入波导；所述内部同轴输入波导的末端设置有输入波导模式变换器；所述内部同轴输入波导位于输入腔的一端设置有径向线波导耦合系统；所述输出波导模式变换器对同轴内、外导体起到支撑作用；所述矩形输入波导与输入波导模式变换器连接；

所述输出波导模式变换器可以将同轴TEM模式变换到扇形TE模式，并传输一段距离后再将扇形TE模式变换到同轴TEM模式；所述扇形TE模式传输段具有无微波区域；所述矩形输入波导穿过无微波区域伸入至同轴内导体内部；

所述输入波导模式变换器能够将矩形波导TE₁₀模式转变为同轴波导TEM模式，并将同轴TEM波经过内部同轴输入波导传输到径向线波导耦合器，在输入腔激励起角向均匀的工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，其特征是：所述输出波导模式变换器包括有依次连接的左侧同轴波导、左侧角向均匀分布短金属膜片、左侧角向均匀分布长金属膜片、左侧准光变换段、左侧扇形传输通道以及对称设置的右侧同轴波导、右侧角向均匀分布短金属膜片、右侧角向均匀分布长金属膜片、右侧准光变换段、右侧扇形传输通道；左侧同轴波导连接高功率微波源的高频结构；左侧角向均匀分布短金属膜片与长金属膜片共同作用实现将TEM模式分割为N个扇形TE₁₀模式；左侧准光变换段将大角度扇形TE₁₀模式过度到小角度扇形TE₁₀模式；左侧扇形传输通道连接左准光变换段和右侧扇形传输通道并传输扇形TE₁₀模式；右侧扇形传输通道连接左侧扇形传输通道和右侧准光变换段并传输扇形TE₁₀模式；右侧准光变换段将右侧小角度扇形TE₁₀模式过渡到大角度扇形TE₁₀模式；右侧金属膜片区再次将大角度的TE₁₀模式分割成N个小的TE₁₀模式，并在膜片最右端直接耦合到同轴波导中的TEM模式；右侧同轴波导将变换得到的TEM模式传输到辐射系统。

3.根据权利要求1所述的一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，其特征是：所述同轴内、外导体结构过模比远大于1。

4.根据权利要求1所述的一种内同轴注入大过模比同轴相对论速调管放大器，其特征是：所述矩形输入波导能够将外部种子源信号馈入内部的输入波导模式变换器。