CN109148244A - 一种轴向可调谐相对论磁控管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轴向可调谐相对论磁控管，该方案充分利用了磁控管的内部空间，不增加系统横向尺寸，且不占用磁体空间，提高了系统的轻小型化水平。同时由于在调谐过程中不改变系统径向尺寸，对磁控管阻抗影响较小，可以在较宽频率范围内保持较高的转换效率。该种轴向调谐相对论磁控管能很好地应用于结构紧凑的频率可调高功率微波系统之中。
Description
技术领域
本发明涉及的是高功率微波技术领域，尤其是一种轴向可调谐相对论磁控管。
背景技术
高功率微波（High Power Microwave, HPM）是指峰值功率大于100MW，频率介于1GHz到300 GHz之间的电磁波。它是本世纪70年代以来随着脉冲功率技术、相对论电子学和等离子体物理等学科的发展而发展起来的一个新的研究领域。高功率微波源主要是利用相对论电子束产生高功率微波辐射的器件，是高功率微波系统中的关键部件之一。很多应用场合要求高功率微波源尽量提高转换效率、缩小系统的体积和重量。同时为了适应宽频率范围内的应用需求，高功率微波源还需要具备输出微波频率在相对较宽的范围内可调谐的能力。因此，轻小型化可调谐高功率微波源成为高功率微波源研究领域的一大热点。
相对论磁控管（RM）具有结构简单、运行磁场低、具备高功率与重复脉冲工作能力等优点，是最有实用价值的轻小型化高功率微波源之一。同时，频率可调谐是相对论磁控管的另一大突出优势，其单管的调谐范围可以达到35%，这使得相对论磁控管成为可调谐轻小型化高功率微波源的首选。
目前RM调谐方式大多是采用改变慢波结构腔体径向尺寸的办法来实现，具有以下缺点：（1）径向调节结构增大了系统横向尺寸并且可能挤占磁体空间，不利于系统轻小型化设计；（2）要实现所有谐振腔径向尺寸的同步精密调节对机械调节结构的控制精度要求较高，系统较为复杂；（3）径向调谐慢波结构与现在主要的高效RM轴向输出结构（如衍射输出结构或全腔输出结构）结合较难实现较高的束波转换效率，这就限制了高功率微波源的系统效率进而限制了其轻小型化水平。其它一些诸如在谐振腔内填充调谐金属杆或者介质等调谐方式由于调谐范围较窄或者功率容量限制等原因，实用化价值亦不高。因此需要提出新的调谐结构，提高可调谐相对论磁控管的输出性能及轻小型化水平。
发明内容
本发明的目的是为了实现轻小型化可调谐高功率微波源设计，以满足多种应用需求，本发明公开了一种基于全腔提取轴向输出技术的轴向可调谐相对论磁控管结构。该结构具有微波调谐范围宽、转换效率波动小、调谐结构简单方便以及系统紧凑的特点。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：包括有外筒、阳极块、阴极、调谐机构、扇形波导、输出段；阴极共轴设置在外筒内部；外筒内壁设置有扇形波导；阳极块固定在扇形波导上；阳极块和扇形波导围绕在阴极外部；阳极块与扇形波导之间开设有多个凹槽；扇形波导的后端为输出段；外筒内壁位于扇形波导的前端设置有短路壁；短路壁上设置有调谐机构；调谐机构包括有固定盘、调谐螺杆和调谐活塞；固定板套设于外筒内的且位于短路壁的前端；调节螺杆穿过固定板后连接在短路壁上；固定板能够通过调谐螺杆的转动调节与短路壁的相对位置；固定板的后端设置有能够插入阳极块与扇形波导之间开设的凹槽的调节活塞；调节活塞与凹槽之间的空心区域形成耦合孔；耦合孔的尺寸能够根据固定板的与短路壁的相对位置改变。
作为本方案的优选：调节活塞的数量与阳极块与扇形波导之间开设的凹槽数量相同。
作为本方案的优选：阳极块的后端设置有收集极。
作为本方案的优选：扇形波导的数量为多个，阳极块与扇形波导的数量相同。
作为本方案的优选：调谐活塞的张角等于耦合孔的张角。
作为本方案的优选：外筒外部设置有磁体；磁体为永磁磁体或者电磁体。
本发明的轴向调谐相对论磁控管的工作原理是：由于阳极块中谐振腔与扇形输出波导是一个重入谐振腔结构，不同耦合孔长度对应不同的谐振频率；根据所需工作频率旋转调谐螺杆以改变调谐活塞伸入阳极外筒耦合孔的轴向位置，进而调节阳极耦合孔的轴向长度以调节系统的谐振频率；在完成调谐活塞位置调节后，在阴阳极间加上高压电脉冲形成径向电场，与磁体所形成的轴向磁场正交；由阴极发射的电子在该正交电磁场作用下沿角向漂移，形成电子轮辐；当电子轮辐在互作用空间的旋转与调谐到特定频率高频场的相速同步时，电子将能量交给高频场产生高功率微波；高功率微波通过谐振腔和扇形波导公共壁上的耦合孔，分别由相邻的两谐振腔体以沿中心线对称的两孔耦合的形式进入一个扇形波导，并在扇形波导中激励起类TE10模，三个扇形波导通过同轴波导进一步合成为同轴TEM模式输出到下游。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本发明的调谐机构充分利用了磁控管的内部空间，不增加系统横向尺寸，且不占用磁体空间，提高了系统的轻小型化水平。同时由于在调谐过程中不改变系统径向尺寸实现耦合孔尺寸调节，对磁控管阻抗影响较小，可以在较宽频率范围内保持较高的转换效率。该种轴向调谐相对论磁控管能很好地应用于结构紧凑的频率可调高功率微波系统之中。
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为本发明的三围结构示意图；
图2为本发明的平面结构剖视图；
图3为图2中A-A向剖视图；
图4为图2中B-B向剖视图；
图5为调节活塞的结构示意图；
图6为轴向调谐相对论磁控管的输出结果图；
图中，1为外筒，2为阳极块，3为耦合孔，4为扇形波导，5为输出段，6为调谐螺杆，7为固定板，8为调谐活塞，9为短路壁，10为收集极，11为阴极。
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。
通过附图能够开出，本方案包括有外筒、阳极块、阴极、调谐机构、扇形波导、输出段；阴极共轴设置在外筒内部；外筒内壁设置有扇形波导；阳极块固定在扇形波导上；阳极块和扇形波导围绕在阴极外部；阳极块与扇形波导之间开设有多个凹槽；扇形波导的后端为输出段；外筒内壁位于扇形波导的前端设置有短路壁；短路壁上设置有调谐机构；调谐机构包括有固定盘、调谐螺杆和调谐活塞；固定板套设于外筒内的且位于短路壁前端；调节螺杆穿过固定板后连接在短路壁上；固定板能够通过调谐螺杆的转动调节与短路壁的相对位置；固定板的后端设置有能够插入阳极块与扇形波导之间开设的凹槽的调节活塞；调节活塞与凹槽之间的空心区域形成耦合孔；耦合孔的尺寸能够根据固定板的与短路壁的相对位置改变。调节活塞的数量与阳极块与扇形波导之间开设的凹槽数量相同。阳极块的后端设置有收集极。扇形波导的数量为多个，阳极块的数量为扇形波导数量的两倍。调谐活塞的张角等于耦合孔的张角。外筒外部设置有磁体；磁体为永磁磁体或者电磁体。
实施例：
采用阳极块共6个，内半径为33.3mm，外半径为60mm，轴向长度为80mm，张角为40°；相邻两个阳极块与扇形波导内壁之间组成一个谐振腔。耦合孔共六个，分别位于六个谐振腔的外壁正中间，在谐振腔与扇形波导相连接的公共壁上，耦合孔内半径为60mm，外半径为70mm，张角为15°，轴向长度为80mm。扇形波导共三个，扇形波导内半径为70mm，外半径为95mm，张角为90°，扇形波导轴向长度为118mm。与扇形波导相连接的末段同轴波导内半径为70mm，外半径为95mm，轴向长度为150mm。
利用粒子模拟软件对上述结构尺寸下的轴向调谐相对论磁控管在馈入电压约电压600kV、引导磁场约0.37T的条件下进行计算，结果如图6 所示：当调节耦合孔轴向长度时，输出微波频率从1.27GHz到1.72GHz连续变化；在这个频率范围内，输出微波功率在1.45GW到2.36GW之间变化，效率在32.73%到54.05%之间变化。这表明在较低引导磁场条件下及较宽频率调谐范围内该发明可以保持相对较高的束波转换效率，可以应用于对轻小型化要求严格的可调谐高功率微波系统之中。
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 (6)
1.一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：包括有外筒、阳极块、阴极、调谐机构、扇形波导、输出段；所述阴极共轴设置在外筒内部；所述外筒内壁设置有扇形波导；所述阳极块固定在扇形波导上；所述阳极块和扇形波导围绕在阴极外部；所述阳极块与扇形波导之间开设有多个凹槽；所述扇形波导的后端为输出段；所述外筒内壁位于扇形波导的前端设置有短路壁；所述短路壁上设置有调谐机构；所述调谐机构包括有固定盘、调谐螺杆和调谐活塞；所述固定板套设于外筒内的且位于短路壁的前端；所述调节螺杆穿过固定板后连接在短路壁上；所述固定板能够通过调谐螺杆的转动调节与短路壁的相对位置；所述固定板的后端设置有能够插入阳极块与扇形波导之间开设的凹槽的调节活塞；所述调节活塞与凹槽之间的空心区域形成耦合孔；所述耦合孔的尺寸能够根据固定板的与短路壁的相对位置改变。
2.根据权利要求1所述的一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：所述调节活塞的数量与阳极块与扇形波导之间开设的凹槽数量相同。
3.根据权利要求1所述的一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：所述阳极块的后端设置有收集极。
4.根据权利要求1所述的一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：所述扇形波导的数量为多个，所述阳极块与扇形波导的数量相同。
5.根据权利要求4所述的一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：所述调谐活塞的张角等于耦合孔的张角。
6.根据权利要求1所述的一种轴向可调谐相对论磁控管，其特征是：所述外筒外部设置有磁体；所述磁体为永磁磁体或者电磁体。
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