CN108470667B - 轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件。加载聚焦阴极E的阴极A在外加高电压条件下发生爆炸电子发射，在经过级联双谐振反射腔时获得初步的速度预调制，速度调制充分转化为密度调制，提取腔内的高频电场与传入其中的群聚电子发生充分相互作用，产生的Ku波段HPM经同轴输出波导向外耦合输出，最后内导体B的轴向凹槽将剩余能量的电子束吸收。产生的磁场强度为0.3T，且永磁体的重量为63.5kg，在该导引磁场下，实现了电子束有效发射与传输。引入级联双谐振反射腔，减小调制腔中的电磁场向二极管区域耦合，降低电子束的径向波动，从而降低所需引导磁场。且该器件的工作模式为TM02模，使得该新型器件在Ku波段还具有较高的功率容量。

Description

轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是基于轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波，目前已经被广泛应用于定向能武器、雷达卫星、电子高能射频加速器、遥感及辐射测量等众多国防和工业领域。

高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的互作用来产生高功率微波的。渡越时间振荡器是利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换的，具有高功率、高效率以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。

Ku波段是指频率在12～18GHz这一频段中的电磁波。相对于低频段微波，Ku波段微波具有频谱范围宽、波束窄、直线传播、全天候工作、辐射天线增益高等优点，目前已经被广泛用于通讯、雷达、遥感等众多领域。因此发展Ku波段高功率微波技术是十分有前景的，但是目前研究的波段主要集中在L、S、C、X等较低频段，公开发表的关于Ku波段的报道较少。

在目前的同轴渡越器件中，主要是采用螺线管线圈作为导引磁场，而利用永磁体产生的磁场来作为导引磁场的研究还不多，并且导引磁场的强度相对来说也较大。文献【李川.Ku波段低磁场过模慢波高功率微波发生器研究[D].国防科学技术大学,2010】研究了Ku波段低磁场过模慢波高功率微波发生器，在二极管电压600kV、电流6.8kA、导引磁场1T下，获得了频率16.96GHz，功率1.2GW的微波输出，束波转换效率为29.3％.文献【令钧溥.Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器的研究[D].国防科学技术大学,2014.】研究了一种新型非均匀三腔渡越时间振荡器，在引导磁场0.7T，电压410kV，电流8kA的条件下，模拟得到了功率1GW，频率为14.2GHz的Ku波段高功率微波输出，转换效率约30％。文献【杨建华,张亚洲,舒挺,等.低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究[J].强激光与粒子束,2005,17(5):0-0.】在束流电压450kV，电流2.3kA，导引峰值磁场0.6T的情况下，得到230MW，频率为10.33GHz，效率达到23％的微波输出。文献【Yang J H,Zhang Y Z,Zhang J D,etal.THE PROPAGATION OF ANNULAR IREBS IN PERIOD PERMANENT MAGNETIC(PPM)FIELD[J].Apac01 Contributions to the Proceedings,2002,14(05):0-0.】在电流500kV，电压1kA条件下获得了功率约为250MW的微波输出。由此可见，在Ku波段进行永磁包装器件的研究还较少，并且在较低磁场下产生较高功率与较高效率的器件研究也较少，其主要原因是在较低磁场下，电子束的传输受到导引磁场的约束较弱，使得电子束传输出现不稳定性。

研究渡越时间振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【令钧溥.Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器的研究[D].国防科学技术大学,2014.】(以下称现有技术1)。器件主要由以下几部分构成，它们主要是环形阴极、前置反射腔、新型三腔调制腔、双间隙输出腔，新型电子收集极及同轴输出波导构成，整个结构关于中心轴线旋转对称。该结构在二极管电压410kV，电流8kA，导引磁场0.3T的条件下获得了功率820MW、效率25％的微波输出。

由以上可知，Ku波段同轴渡越时间振荡器具有结构简单，输出效率高的优点，但是进行永磁封装的报道还未出现，并且在低导引磁场下获得的微波效率也较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种轻小型永磁封装Ku波段渡越时间振荡器，将励磁线圈变为永磁导引系统，极大的减少磁场导引系统的重量，并且减少能量的消耗，永磁导引系统的质量在百公斤量级内，且该轻小型永磁封装Ku波段渡越时间振荡器输出效率高、功率高。

本发明的技术方案是：

永磁磁场作为导引系统的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，包括阴极A、聚焦阴极E、内导体B、外导体C、永磁体D，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极A的左端连接脉冲功率源的内导体，内导体B右端连接辐射系统的内导体，外导体C左端外接脉冲功率源的外导体，外导体C右端连接辐射系统的外导体；

所述阴极A左端为柱状圆环、右端为平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端圆环的半径大于右端圆环的半径，左端圆环的内半径介于内导体B最大外半径和外导体C最小内半径之间，左端半径尺寸应配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，右端圆环的中心半径等于发射电子束的半径rb，径向厚度为d，一般设计为1mm～10mm，阴极A的作用为产生和发射电子束，且发射的方式为爆炸发射；聚焦阴极E的形状为圆盘，并且圆盘的厚度为r，作用是对爆炸发射产生的电子束进行聚焦；内导体B是刻有七个径向凹槽、一个轴向凹槽的柱状圆筒，圆筒的左端半径为r2，第一、二个径向凹槽的半径为r3，第三、四、五、六、七个径向凹槽的半径为r6，第六个凹槽的右边的外半径与第七个凹槽左边的外半径为r10，轴向凹槽的较小及较大半径分别为r13、r12，内导体B右端半径为r14，第一个径向凹槽距离内导体B左端边缘的长度为P1，第一、二、三、四、五、六、七个径向凹槽的宽度为L1、L1、L2、L3、L4、L5、L6，第一个与第二个、第二个与第三个、第三个与第四个、第四个与第五个、第五个与第六个、第六个与第七个径向凹槽之间的距离分别为P2、P3、P4、P4、P5、P6，轴向凹槽的宽度为L7，轴向凹槽的作用是将多余的电子束进行收集；外导体C是刻有七个径向凹槽的柱状圆筒，外导体C左端内半径为r1，其与阴极A的左端的柱状圆环组成的同轴结构构成电功率输入口，外导体C最外围半径为r8，最小半径为r5，第一、二、三个径向凹槽的半径为r4，第四个径向凹槽的半径为r7，第五个凹槽半径为r9，第七个凹槽的较小半径与较大半径分别为r9、r15，外导体C第七个径向凹槽与内导体B右端半径较大的圆筒组成的同轴结构构成微波输出口，外导体C与内导体B径向凹槽的宽度和距离相同；永磁体D是规则的空心圆筒，内半径为r8，外半径为r4，永磁体的作用是在电子束经过的区域提供导引磁场。径向尺寸满足r4>r8>r1>r7>r15>r9>r14>r5>r12>r11>r2>r10>r6>r13>r3，轴向尺寸满足L7>L4＝L2>L3＝L5＝L6>L1,P5>P3>P1>P4>P2＝P6；

所述内导体B与外导体C上前两个相对的径向凹槽形成级联双谐振反射腔，可以减小微波场向二极管区泄露，同样可有效降低电子束的径向波动，进而有利于电子束引导磁场的降低，内导体B与外导体C上第三、四、五个相对应的径向凹槽形成非均匀三腔调制腔，第六、七个相对的径向凹槽形成提取腔，电子束在级联双谐振反射腔内获得了初步的速度预调制，在调制腔时速度调制进一步加强，经过一段距离的漂移后能散降低，表明电子束由速度调制向密度调制转换，最终群聚电子束在提取中发生剧烈的束波互作用，电子束能量持续减速，微波场能量将不断增加，最终将电子束的能量传递给提取腔的本征微波并沿微波源右端的微波输出口传输出去。

所述阴极A、聚焦阴极E采用石墨或铜，内导体B、外导体C采用不锈钢材料，永磁体E采用铝铁硼。

本发明的工作原理是：加载聚焦阴极E的阴极A在外加高电压条件下发生爆炸电子发射，在引导磁场约束下向前传输，在经过级联双谐振反射腔时获得初步的速度预调制，在经过调制腔时获得充分的速度调制，经过一段距离漂移后，速度调制充分转化为密度调制，提取腔内的高频电场与传入其中的群聚电子发生充分相互作用，产生的Ku波段HPM经同轴输出波导向外耦合输出，最后内导体B的轴向凹槽将剩余能量的电子束吸收。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

(1)本发明中基于聚焦阴极，设计了轻小型永磁体，产生的磁场强度为0.3T，且永磁体的重量为63.5kg，在该导引磁场下，实现了电子束有效发射与传输；

(2)本发明中引入了级联双谐振反射腔，可以减小调制腔中的电磁场向二极管区域耦合，进一步降低电子束的径向波动，从而降低所需引导磁场，并且该器件的工作模式为TM02模，使得该新型器件在Ku波段还具有较高的功率容量；

(3)本发明中的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，最终输出微波频率14.2GHz，功率1GW，效率约30％，整个装置重量控制在百公斤范围内。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的Ku波段同轴渡越时间振荡器的结构示意图；

图2为本发明提供的轻小型永磁封装的Ku波段同轴渡越时间振荡器的结构示意图；

图3为本发明提供的永磁体的磁场位型示意图；

图4为本发明提供的电子束在传输半径上的磁场的径向与轴向磁感应强度的分布示意图；

图5为本发明提供的轻小型永磁封装的Ku波段同轴渡越时间振荡器的输出微波功率示意图；

图6为本发明提供的轻小型永磁封装的Ku波段同轴渡越时间振荡器的输出微波的频率示意图；

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术1公布的Ku波段同轴渡越时间振荡器的结构示意图。该结构阴极A、内导体B、外导体C以及磁场线圈D组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。该方案利用粒子模拟软件，在二极管电压410kV、电流8kA、导引磁场0.3T的条件下，得到了820MW的输出微波功率，微波频率14.2GHz，器件效率为25％。但是该器件效率相对较低，且采用磁场线圈导引，磁场线圈与其所需要的励磁系统体积及重量较大，系统较为复杂，影响其应用范围的拓展。

图2为本发明提供的轻小型永磁封装的Ku波段同轴渡越时间振荡器的结构示意图。本发明由阴极A、聚焦阴极E、内导体B、外导体C、永磁体D，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极A的左端连接脉冲功率源的内导体，内导体B右端连接辐射系统的内导体，外导体C左端外接脉冲功率源的外导体，外导体C右端连接辐射系统的外导体。

阴极A左端为柱状圆环、右端为平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端圆环的半径大于右端圆环的半径，左端圆环的内半径介于内导体B最大外半径和外导体C最小内半径之间，左端半径尺寸应配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，右端圆环的中心半径等于发射电子束的半径rb，径向厚度为d，一般设计为1mm～10mm，阴极A的作用为产生和发射电子束，且发射的方式为爆炸发射；聚焦阴极E的形状为圆盘，并且圆盘的厚度为r，聚焦阴极E的作用是对爆炸发射产生的电子束进行聚焦；内导体B是刻有七个径向凹槽、一个轴向凹槽的柱状圆筒，圆筒的左端半径为r2，第一、二个径向凹槽的半径为r3，第三、四、五、六、七个径向凹槽的半径为r6，第六个凹槽的右边的外半径与第七个凹槽左边的外半径为r10，轴向凹槽的较小及较大半径分别为r13、r12，内导体B右端半径为r14，第一个径向凹槽距离内导体B左端边缘的长度为P1，第一、二、三、四、五、六、七个径向凹槽的宽度为L1、L1、L2、L3、L4、L5、L6，第一个与第二个、第二个与第三个、第三个与第四个、第四个与第五个、第五个与第六个、第六个与第七个径向凹槽之间的距离分别为P2、P3、P4、P4、P5、P6，轴向凹槽的宽度为L7，轴向凹槽的作用是将多余的电子束进行收集；外导体C是刻有七个径向凹槽的柱状圆筒，外导体C左端内半径为r1，其与阴极A的左端的柱状圆环组成的同轴结构构成电功率输入口，外导体C最外围半径为r8，最小半径为r5，第一、二、三个径向凹槽的半径为r4，第四个径向凹槽的半径为r7，第五个凹槽半径为r9，第七个凹槽的较小半径与较大半径分别为r9、r15，外导体C第七个径向凹槽与内导体B右端半径较大的圆筒组成的同轴结构构成微波输出口，外导体C与内导体B径向凹槽的宽度和距离相同；永磁体D是规则的空心圆筒，内半径为r8，外半径为r4，永磁体的作用是在电子束经过的区域提供导引磁场。径向尺寸满足r4>r8>r1>r7>r15>r9>r14>r5>r12>r11>r2>r10>r6>r13>r3，轴向尺寸满足L7>L4＝L2>L3＝L5＝L6>L1,P5>P3>P1>P4>P2＝P6。

所述内导体B与外导体C上前两个相对的径向凹槽形成级联双谐振反射腔，可以减小微波场向二极管区泄露，同样可有效降低电子束的径向波动，进而有利于电子束引导磁场的降低，内导体B与外导体C上第三、四、五个相对应的径向凹槽形成非均匀三腔调制腔，第六、七个相对的径向凹槽形成提取腔，电子束在级联双谐振反射腔内获得了初步的速度预调制，在调制腔时速度调制进一步加强，经过一段距离的漂移后能散降低，表明电子束由速度调制向密度调制转换，最终群聚电子束在提取中发生剧烈的束波互作用，电子束能量持续减速，微波场能量将不断增加，最终将电子束的能量传递给提取腔的本征微波并沿微波源右端的微波输出口传输出去。

所述阴极A、聚焦阴极E采用石墨或铜，内导体B、外导体C采用不锈钢材料，永磁体E采用铝铁硼。

本优选实施例实现了轻小型永磁封装的Ku波段同轴渡越时间振荡器，最终仿真得到输出微波频率14.2GHz，功率1GW，效率约30％，永磁质量为63.5kg，永磁体产生的导引磁场为0.3T，整个微波源在百公斤重量范围内。相应的尺寸设计为：

r1＝63.0mm，r2＝39.0mm，r3＝33.0mm，r4＝132.0mm，r5＝46.0mm，r6＝37.0mm，r7＝60.0mm，r8＝80.0mm，r9＝50.0mm，r10＝38.5mm，r11＝41.0mm，r12＝45.0mm，r13＝36.0mm，r14＝47.5mm，r15＝55.0mm，

rb＝42.5mm，d＝1.0mm，r＝3.0mm，

L1＝5.0mm，L2＝7.0mm，L3＝6.0mm，L4＝7.0mm，L5＝6.0mm，L6＝6.0mm，L7＝15.0mm，

P1＝5.0mm，P2＝3.0mm，P3＝12.0mm，P4＝4.0mm，P5＝15.0mm，P6＝3.0mm

由上述结果可知，本发明克服了通常高功率微波源导引磁场较高的缺点，所设计微波源系统在百公斤量级内，并且能同时兼顾输出效率高、输出功率高的优点，对于Ku波段高功率微波的轻小型化设计具有重要的指导意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (6)

1.轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，包括阴极A、聚焦阴极E、内导体B、外导体C、永磁体D，整个结构关于中心轴线旋转对称，其特征在于，阴极A左端连接脉冲功率源的内导体，内导体B右端连接辐射系统的内导体，外导体C左端外接脉冲功率源的外导体，外导体C右端连接辐射系统的外导体；

所述阴极A的左端为柱状圆环、右端为平滑的不规则圆环，中间半径有突变，左端柱状圆环的半径大于右端圆环的半径，阴极A的作用为产生和发射电子束；

所述聚焦阴极E的形状为圆盘，圆盘厚度为r，聚焦阴极E的作用是对爆炸发射产生的电子束进行聚焦；

所述内导体B是刻有七个径向凹槽、一个轴向凹槽的柱状圆筒，

所述外导体C是刻有七个径向凹槽的柱状圆筒，

所述永磁体D是规则的空心圆筒，

所述内导体B与外导体C上前两个相对的径向凹槽形成级联双谐振反射腔，减小微波场向二极管区泄露，降低电子束的径向波动，有利于电子束引导磁场的降低，

所述内导体B与外导体C上第三、四、五个相对应的径向凹槽形成调制腔，第六、七个相对的径向凹槽形成提取腔。

2.根据权利要求1所述的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，其特征在于，

所述阴极A发射的方式为爆炸发射，加载聚焦阴极E的阴极A在外加高电压条件下发生爆炸电子发射，在引导磁场约束下向前传输，在经过级联双谐振反射腔时获得初步的速度预调制，在经过调制腔时获得充分的速度调制，经过漂移后，速度调制充分转化为密度调制，提取腔内的高频电场与传入其中的群聚电子发生相互作用，产生的Ku波段HPM经同轴输出波导向外耦合输出，最后内导体B的轴向凹槽将剩余能量的电子束吸收。

3.根据权利要求1或2所述的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，其特征在于，

所述阴极A左端圆环的内半径介于内导体B最大外半径和外导体C最小内半径之间，左端半径尺寸配合脉冲功率源与之连接端口的尺寸，右端圆环的中心半径等于发射电子束的半径rb，径向厚度为d，为1mm～10mm。

4.根据权利要求1或2所述的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，其特征在于，所述内导体B轴向凹槽的作用是将多余的电子束进行收集。

5.根据权利要求1或2所述的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，其特征在于，所述外导体C左端与阴极A左端的柱状圆环组成的同轴结构构成电功率输入口，外导体C第七个径向凹槽与内导体B右端半径较大的圆筒组成同轴结构构成微波输出口，外导体C与内导体B径向凹槽的宽度和距离相同。

6.根据权利要求1或2所述的轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件，其特征在于，所述永磁体D作用是在电子束经过的区域提供导引磁场。

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