CN108648979B - 一种四腔高功率微波放大器及其使用方法 - Google Patents

一种四腔高功率微波放大器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四腔高功率微波放大器及其使用方法，属于相对论电真空微波器件技术领域，所述微波放大器包括阴极、阳极、引导磁场发生器和输出导体，所述阳极内部设有空腔，所述阴极用于发射电子束，沿着电子束的传输方向，所述空腔内依次设有同轴的调制腔、第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔，本发明采用一个调制腔将被放大微波信号转化为电子束的调制，然后通过第一调制增强腔、第二调制增强腔增强电子束的调制深度，这种被深度调制的电子束在换能腔产生相位受到被放大微波信号控制的放大高功率微波，同时，采用相应措施以克服非工作模式对放大过程的影响，使得微波放大器在工作条件下能稳定地处于放大状态并输出锁相高功率微波。

Description

一种四腔高功率微波放大器及其使用方法
技术领域
本发明属于相对论电真空微波器件技术领域，具体地说涉及一种四腔高功率微波放大器及其使用方法。
背景技术
随着高功率微波技术的发展，放大器类的高功率微波发生器越来越重要。由于受微波器件物理、工艺和脉冲技术工程的限制，单个微波微波发生器的微波输出功率受到理论限制(～10GW)，超过这个限制，可行的技术路线就是多个微波发生器合成，能有效实现功率合成的四腔高功率微波放大器，然而由于加速器电子束的流强通常为数kA到数十kA，使得在四腔高功率微波放大器中非工作激发破坏工作模式的束波互作用过程，造成微波脉冲缩短。
发明内容
发明人针对高功率微波发展中对锁相高功率的需求，提出了一种含非工作模式抑制措施的四腔高功率微波放大器及其使用方法，所述微波放大器增益可以达到60dB以上，同时，由于采用非工作模式抑制措施，既能保证所述微波放大器单模运行，而且工作稳定。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种四腔高功率微波放大器，包括阴极、阳极、引导磁场发生器和输出导体，所述阳极为对称的圆筒状，其由金属材料制得，其内部设有处于真空状态的空腔，所述阴极用于发射电子束且其位于空腔的一端，所述电子束沿着空腔传输形成电子束通道，所述输出导体位于空腔的另一端，所述磁场发生器位于阳极外围；
沿着电子束的传输方向，所述空腔内依次设有同轴的调制腔、第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔，所述调制腔、第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔的半径均大于空腔半径且四者均设为圆筒状，所述第一调制增强腔、第二调制增强腔之间且位于空腔内设有台阶结构，与第一调制增强腔对应的电子束通道的半径大于与第二调制增强腔对应的电子束通道的半径；
所述输出导体包括与空腔互为同轴结构的内导体和外导体，所述内导体正对阴极设置，所述外导体套设与内导体的外围，且两者之间形成环形的微波输出通道以输出微波。
进一步，所述台阶结构的深度为4-8mm。
进一步，所述第二调制增强腔的渡越角为35-55°。
进一步，所述调制腔的谐振频率为工作模式微波频率的1.01倍，所述第一调制增强腔的谐振频率是工作模式微波频率的0.96倍，所述第二调制增强腔、换能腔的谐振频率与工作模式微波频率相同。
进一步，所述阳极上设有与调制腔相连通的被放大微波输入通道。
进一步，所述阴极上设有圆环凸起，所述圆环凸起正对微波输出通道设置。
进一步，所述外导体的一端与换能腔的侧壁相抵，所述内导体的一端位于换能腔内部。
进一步，所述空腔的真空度不超过10-2Pa。
进一步，与调制腔以及第一调制增强腔对应的电子束通道的半径相同，与换能腔以及第二调制增强腔对应的电子束通道的半径相同。
另，本发明还提供一种四腔高功率微波放大器的使用方法，包括如下步骤：
S1：由阴极发射电子束，引导磁场发生器产生引导磁场，电子束在引导磁场作用下先穿过调制腔，被放大微波信号经被放大微波输入通道输入调制腔，被放大微波信号对电子束调制；
S2：调制后的电子束在引导磁场作用下，依次穿过第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔并在换能腔产生放大的锁相高功率微波，锁相高功率微波从微波输出通道输出。
本发明的有益效果是：
采用一个调制腔将被放大微波信号转化为电子束的调制，然后通过第一调制增强腔、第二调制增强腔增强电子束的调制深度，这种被深度调制的电子束在换能腔产生相位受到被放大微波信号控制的放大高功率微波，同时，采用台阶结构、设定第二调制增强腔的渡越角以及设定谐振频率，以克服非工作模式对放大过程的影响，使得微波放大器在工作条件下能稳定地处于放大状态并输出锁相高功率微波。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
附图中：1-阴极、2-阳极、3-空腔、4-引导磁场发生器、5-调制腔、6-第一调制增强腔、7-第二调制增强腔、8-换能腔、9-内导体、10-外导体、11-微波输出通道、12-被放大微波输入通道、13-圆环凸起、14-台阶结构。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种四腔高功率微波放大器，包括阴极1、阳极2、引导磁场发生器4和输出导体，所述阳极2为对称的圆筒状，其由金属材料制得，其内部设有处于真空状态的空腔3，作为优选，所述空腔3的真空度不超过10-2Pa。
所述阴极1用于发射电子束且其位于空腔3的一端，所述阳极2用于接收电子束，所述微波放大器由脉冲功率源驱动，所述磁场发生器4位于阳极2外围以产生引导电子束传输的引导磁场，所述电子束在引导磁场作用下沿着空腔3传输形成电子束通道。
沿着电子束的传输方向，所述空腔3内依次设有同轴的调制腔5、第一调制增强腔6、第二调制增强腔7和换能腔8，同时，调制腔5、第一调制增强腔6、第二调制增强腔7和换能腔8的半径均大于空腔3半径且四者均设为圆筒状，也就是说，调制腔5、第一调制增强腔6、第二调制增强腔7和换能腔8分别与空腔3相垂直且连通。所述输出导体位于空腔3的另一端，其包括与空腔3互为同轴结构的内导体9和外导体10，所述内导体9正对阴极1设置，所述外导体10套设与内导体9的外围，且两者之间形成环形的微波输出通道11以输出微波。具体的，所述外导体10的一端与换能腔8的侧壁相抵，所述内导体9的一端位于换能腔8内部。此外，所述阳极2上设有与调制腔5相连通的被放大微波输入通道12，所述阴极1上设有圆环凸起13，且圆环凸起13正对微波输出通道11设置。
发明人采用了以下措施克服非工作模式对放大过程的影响。措施一：所述第一调制增强腔6、第二调制增强腔7之间且位于空腔3内设有台阶结构14，作为优选，所述台阶结构14的深度为4-8mm，与第一调制增强腔6对应的电子束通道的半径大于与第二调制增强腔7对应的电子束通道的半径，也就是说，自阴极1到输出导体的方向，所述电子束通道的半径逐渐变小。同时，与调制腔5以及第一调制增强腔6对应的电子束通道的半径相同，与换能腔8以及第二调制增强腔7对应的电子束通道的半径相同。措施二：所述第二调制增强腔7的渡越角为35-55°。措施三：所述调制腔5的谐振频率为工作模式微波频率的1.01倍，所述第一调制增强腔6的谐振频率是工作模式微波频率的0.96倍，所述第二调制增强腔7、换能腔8的谐振频率与工作模式微波频率相同。
所述四腔高功率微波放大器的使用方法，具体如下：由阴极1发射电子束，引导磁场发生器4产生引导磁场，电子束在引导磁场作用下先穿过调制腔5，被放大微波信号经被放大微波输入通道12输入调制腔5，被放大微波信号对电子束调制。调制后的电子束在引导磁场作用下，依次穿过第一调制增强腔6、第二调制增强腔7和换能腔8并在换能腔8产生放大的锁相高功率微波，锁相高功率微波从微波输出通道11输出。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，包括阴极、阳极、引导磁场发生器和输出导体，所述阳极为对称的圆筒状，其由金属材料制得，其内部设有处于真空状态的空腔，所述阴极用于发射电子束且其位于空腔的一端，所述电子束沿着空腔传输形成电子束通道，所述输出导体位于空腔的另一端，所述磁场发生器位于阳极外围；
沿着电子束的传输方向，所述空腔内依次设有同轴的调制腔、第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔，所述调制腔、第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔的半径均大于空腔半径且四者均设为圆筒状，所述第一调制增强腔、第二调制增强腔之间且位于空腔内设有台阶结构，所述台阶结构的深度为4-8mm，与第一调制增强腔对应的电子束通道的半径大于与第二调制增强腔对应的电子束通道的半径，所述第二调制增强腔的渡越角为35-55°，所述调制腔的谐振频率为工作模式微波频率的1.01倍，所述第一调制增强腔的谐振频率是工作模式微波频率的0.96倍，所述第二调制增强腔、换能腔的谐振频率与工作模式微波频率相同；
所述输出导体包括与空腔互为同轴结构的内导体和外导体，所述内导体正对阴极设置，所述外导体套设与内导体的外围，且两者之间形成环形的微波输出通道以输出微波。
2.根据权利要求1所述的一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，所述阳极上设有与调制腔相连通的被放大微波输入通道。
3.根据权利要求1所述的一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，所述阴极上设有圆环凸起，所述圆环凸起正对微波输出通道设置。
4.根据权利要求1所述的一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，所述外导体的一端与换能腔的侧壁相抵，所述内导体的一端位于换能腔内部。
5.根据权利要求1所述的一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，所述空腔的真空度不超过10-2Pa。
6.根据权利要求2-5任一所述的一种四腔高功率微波放大器，其特征在于，与调制腔以及第一调制增强腔对应的电子束通道的半径相同，与换能腔以及第二调制增强腔对应的电子束通道的半径相同。
7.一种采用如权利要求6所述的四腔高功率微波放大器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：由阴极发射电子束，引导磁场发生器产生引导磁场，电子束在引导磁场作用下先穿过调制腔，被放大微波信号经被放大微波输入通道输入调制腔，被放大微波信号对电子束调制；
S2：调制后的电子束在引导磁场作用下，依次穿过第一调制增强腔、第二调制增强腔和换能腔并在换能腔产生放大的锁相高功率微波，锁相高功率微波从微波输出通道输出。
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