CN109192640A - 一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器；由内外两套电磁结构组成，外部电磁结构包括外阴极座、外阴极、阳极外筒、外截止颈、第一外慢波结构、第二外慢波结构、隔离段、内导体、外调制腔、提取腔、外锥形波导、外微波输出口、第一支撑杆、第二支撑杆、螺线管磁场；内部电磁结构包括内阴极座、内阴极、阳极内筒、内截止颈、前置反射腔、第一内慢波结构、第二内慢波结构、内调制腔、内锥形波导、内微波输出口，整个结构关于中心轴线旋转对称；本发明仅通过调节内、外阴极与截止颈之间的距离，即可实现跨波段微波输出，调节方式简单易行。

Description

一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器(Relativistic Backward-Wave Oscillator，简称为RBWO)。
背景技术
高功率微波通常是指功率大于100MW、频率介于0.1GHz～100GHz的电磁波。高功率微波源是指用于产生高功率微波的相对论电真空器件，这类器件中的绝大多数是由强流相对论电子束驱动的。近二十年来，受到高能射频加速器、等离子体热核聚变、定向能武器、高功率雷达、天地功率传送等应用的牵引，高功率微波源技术得到了迅速发展。
频率可调谐是高功率微波源的重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，在磁控管、回旋管等器件中应用较多。机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐，在RBWO中应用较多。RBWO是一种基于切伦科夫辐射机制且发展较为成熟的高功率微波源，其利用强流相对论电子束与慢波结构中的返向空间谐波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，受到了广泛重视。
Pf2因子(微波功率P与微波频率f平方的乘积)是评价高功率微波源性能的重要指标之一，其正比于微波信号经天线辐射后作用在目标上的功率密度。因此，高功率微波技术进一步发展和应用对高功率微波源输出微波的功率和频率提出了更高要求。特别是在单个高功率微波输出微波功率存在物理极限的情况下，发展高频段是重要发展方向。Ka波段(26.5GHz -40GHz)微波在雷达、通信、遥感、辐射测量等方面有着可观的应用前景，成为高功率微波领域新的研究热点。因此，开展Ka波段RBWO研究具有重要的实用价值。
频率调谐RBWO研究方面，国际上主要有以下机构开展了机械调频方面的研究工作。 1997年，美国新墨西哥州大学的EdlSchamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBWO【E. Schamiloglu,C.T.Abdallah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.Implementation ofaFrequency-agile, High Power Backward Wave Osillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。为了叙述的方便，将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、空心慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2， R2＞R1。截止颈与空心慢波结构之间是漂移段，是一个内半径为R4，长度为L2的圆柱形结构。空心慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R4、最小内半径R5与右侧慢波叶片的最小内半径R13满足R4＞R13＞R5。九个慢波叶片的长度相同，均为L1，约为工作波长λ的二分之一。反射段介于空心慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R4、长度为L5的圆柱形结构。微波输出口呈圆台形，圆台左端面半径为R4，右端面半径为R6。在该器件运行中，阴极产生的相对论电子束与空心慢波结构决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。实验中，通过调节截止颈到空心慢波结构的距离L2、空心慢波结构到反射段的距离L5，得到了半功率点处频率调谐带宽约5％、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L2、反射段的长度L5实现对工作频率调节，空心慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约5％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。
2011年，西北核技术研究所的宋玮等人研究了RBWO的双机械调谐法【Wei Song,Xiaowei Zhang,Changhua Chen,et al.Enhancing Frequency Tuning Ability ofanImproved Relativistic Backward Wave Oscillator[J].Proc.of the Asia-PacificMicrowave Conference 2011:283.】。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、空心慢波结构、微波输出口、螺线管磁场、提取腔组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R2，外半径R7满足R7＞R2，腔宽L3。漂移段是一个半径为R2、长度为L2的圆柱形结构。空心慢波结构由六个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，最大外半径R4、最小内半径R5，长度为L1，约为工作波长λ的二分之一。提取腔介于空心慢波结构与微波输出口之间，是一个外半径为R8、长度为L4的圆盘形结构。提取腔右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。在该器件运行中，阴极产生的相对论电子束与空心慢波结构决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。数值仿真中，通过改变前置反射腔至空心慢波结构的距离L2、提取腔的宽度L4，得到了调谐带宽约8％、中心频率9.6GHz、功率效率约33％的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L2、提取腔的宽度L4实现对工作频率调节，空心慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式)实现调谐带宽约8％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。
2011年，国防科技大学葛行军等人申请的发明专利“一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器”(ZL201110106666.1)。(下文简称为现有技术3，如图3所示)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、空心慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆、模式转换器、辐射口和密封板组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1。空心慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R4与最小内半径R5满足R4＞R5＞R2，梯形结构的长度L1约为工作波长λ的二分之一。内导体是一个半径为R3的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。收集极为圆筒状，在左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R11和外半径R10根据阴极的内半径R1来选取，满足R10＞R1＞R11，环形凹槽的长度L8约为工作波长λ的三分之一。收集极右端是外半径为R9的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器的左端面相连。模式转换器左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构。支撑杆共有两排，第一排支撑杆放在距离收集极左端面为L10的位置，L10＞L8。第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L11约为工作波长λ的四分之一。辐射口的右端为圆筒状，圆筒内半径为R12，R12＞R6。密封板是一个圆盘，利用抽真空时辐射口内外的压力差通过密封槽压在辐射口上。密封板起保持器件内部真空环境的效果。该RBWO运行中，阴极产生的电子束与由空心慢波结构和内导体决定的准TEM模式的电磁波进行束波作用，产生的微波从微波输出口输出。实验中，当内导体半径R3在 0.5-1.75cm范围内改变时，输出微波功率1.15GW，频率在1.65-1.55GHz范围内可调，调谐带宽约6％。该方案通过内导体半径R3实现对工作频率调节，需要改变内导体径向尺寸，在线机械传动装置设计难度较大，调节方式复杂；只在L波段一个波段(对应一个工作模式) 实现调谐带宽约6％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄，工作频段较低。
2016年，国防科技大学葛行军等人申请的发明专利“一种X、Ku波段可调高功率微波源” (ZL 201610033561.0)。(下文简称为现有技术4，如图4所示)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R2，外半径R7满足R7＞R2。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，最大外半径R4与最小内半径R5满足R4＞R5＞R2，矩形结构的长度L1约为工作波长λ的二分之一。截止颈、前置反射腔和慢波结构从阳极外筒的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒的内壁，依次嵌入阳极外筒并固定。内导体是一个半径为R3的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。内导体长度L6的变化对工作频率会产生影响，通过调节L6，可以实现输出微波频率跨X、Ku波段可调，并且在每个波段内还有一定的调节带宽。收集极为圆柱状，左端面距离最后一个慢波叶片的距离为L7。在左端面挖有“L”形凹槽，“L”形凹槽的半径R10、R11、R14根据阴极的内半径R1和磁场位形来选取，满足 R14＞R10＞R1＞R11，“L”形凹槽的两段长度L8、L9均约等于工作波长λ。在左端面的中心部分车出外半径为R3的内螺纹，与内导体右端的的外螺纹相连。收集极与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。收集极通过支撑杆固定在所述阳极外筒的内壁上。支撑杆共有两排，第一排支撑杆位于距离收集极左端面距离为L10的位置；第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L11约为工作波长的四分之一。仿真中：当内导体长度L6在0-8.4cm范围内改变时，微波频率在10.55-10.64GHz(X波段)范围内可调，3dB调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW；内导体长度L6在8.5-11.7cm范围内改变时，微波频率在12.51-12.62GHz(Ku波段)范围内可调，3dB调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW。该方案通过调节内导体长度L6实现了跨X、Ku波段调频，但由于两个波段共用同一个慢波结构，区别只在于有无内导体，因此频率依赖关系明显，两个波段之间的频率间隔较小，无法实现跨波段大间隔频率可调。因此，该方案通常应用在频率间隔较小的相邻波段。
分析上述研究现状不难看出，尽管频率调谐RBWO的研究取得了较大进展，但存在以下不足：
(1)调节方式复杂，通常需要对两种以上结构参数进行调节，需要复杂的机械调节系统；
(2)调节带宽较窄，通常为波段内频率调节，调节带宽通常小于10％；即使能实现跨波段调频，也只能在相邻的波段进行调频，频率间隔较小；
(3)工作频段较低，通常为ku波段以下的低频段。
因此，亟需采用新的设计思想，研究一种调节范围大(跨波段大间隔调频)、调节方式简单的RBWO，其技术方案尚未有公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种跨X、Ka波段频率可调RBWO，克服通常频率调谐RBWO调节方式复杂(多为两种以上结构参数的机械调节)、调节带宽窄(波段内调节或跨相邻波段的调频)、工作频段较低(低于ku波段)等不足，通过电磁结构的合理设计，仅通过控制内、外阴极的伸出与缩进，即可实现跨X、Ka波段频率可调，并且还可实现双波段同时输出。
本发明的技术方案是：
一种跨X、Ka波段频率可调RBWO，由内外两套电磁结构组成，外部电磁结构包括外阴极座501a、外阴极502a、阳极外筒503a、外截止颈504a、第一外慢波结构505a1、第二外慢波结构505a2(外慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ1)、隔离段520、内导体506、外调制腔518a、提取腔514、外锥形波导519a、外微波输出口508a、第一支撑杆510a1、第二支撑杆510a2、螺线管磁场509；内部电磁结构包括内阴极座501b、内阴极502b、阳极内筒503b、内截止颈504b、前置反射腔511、第一内慢波结构505b1、第二内慢波结构505b2(内慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ2)、内调制腔518b、内锥形波导519b、内微波输出口508b。整个结构关于中心轴线旋转对称。分别调节阴极的长度，进而改变阴阳极间距(阴极右端至截止颈左端的距离)：当调节外阴极502a长度，使外阴极502a 右端至外截止颈504a左端的距离在2cm～3cm范围，产生X波段微波；当调节内阴极502b 长度，使内阴极502b右端至内截止颈504b左端的距离在1cm～2cm范围，产生Ka波段微波；当同时调节外阴极502a和内阴极502b长度，使外阴极502a右端至外截止颈504a左端的距离在2～3cm范围，内阴极502b右端至内截止颈504b左端的距离在1cm～2cm范围，同时产生X、Ka波段微波，从而实现对RBWO工作状态的控制。
外阴极502a是一个薄壁圆筒，套在外阴极座501a右端，壁厚仅为0.1mm，外阴极502a 半径R1等于外电子束的半径。外截止颈504a呈圆盘状，外截止颈504a内半径为R2，R2＞R1，具体尺寸需要根据工作波长λ1优化设计。外慢波结构包括第一外慢波结构505a1、第二外慢波结构505a2两段，由8个相同的慢波叶片组成，第一外慢波结构505a1由3个慢波叶片组成，第二外慢波结构505a2由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4，内半径为R5，满足R4＞R5＞R1；慢波叶片长度L1一般取值为工作波长λ1的 0.2-0.4倍；外慢波结构与内导体506组成的同轴结构的工作模式是同轴慢波结构准TEM模的π模，对应波段为X波段。在第一外慢波结构505a1、第二外慢波结构505a2之间设置有1 个形状为圆盘状的外调制腔518a，外调制腔518a的半径R14大于慢波结构慢波叶片外半径R4；宽度L9为工作波长λ1的0.9-1.3倍。在第二外慢波结构505a2之后设置有1个形状为圆盘状的提取腔514，提取腔514的内半径R17和外半径R8满足R8＞R14＞R5，长度L4一般取值为工作波长λ1的0.3-0.5倍。提取腔514后接外锥形波导519a，外锥形波导519a的左侧内半径为R17，右侧内半径为R6，长度为L12，L12一般取值为工作波长λ1的1.5-2.5倍。隔离段520呈圆盘状，隔离段外半径为R16，内半径为R15，长度L14，具体尺寸需要根据工作波长λ1、λ2优化设计。内导体506是外半径为R3的圆筒，左端与外截止颈504a的右端平齐，通过螺纹与隔离段520 相连，右端通过第一支撑杆510a1和第二支撑杆510a2固定在阳极外筒503a的内壁上。内导体506与阳极外筒503a之间围成的圆环空间为外微波输出口508a。第一支撑杆510a1位于与锥形波导右侧端点距离为L13的位置处，L13为工作波长λ1的1至2倍。第二支撑杆510a2与第一支撑杆510a1之间的距离为L11，L11为工作波长λ1的0.1至0.3倍。外微波输出口508a 的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。螺线管磁场509套在阳极外筒503a的外壁上。
内阴极502b也是一个薄壁圆筒，套在内阴极座501b右端，壁厚仅为0.1mm，内阴极502b 半径R1'等于内电子束的半径。内截止颈504b呈圆盘状，内截止颈504b内半径为R2'，R2'＞R1'，具体尺寸需要根据工作波长λ2优化设计。前置反射腔511呈圆盘状，内半径等于截止颈504b 内半径R2'，外半径R7满足R7＞R2'，宽L3为工作波长λ2的0.4至0.6倍。内慢波结构包括第一内慢波结构505b1、第二内慢波结构505b2两段，由14个相同的慢波叶片组成，第一段内慢波结构由5个慢波叶片组成，第二段内慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4'，内半径为R5'，满足R4'＞R5'＞R1'；慢波叶片长度L1'一般取值为工作波长λ1的0.3-0.4倍；内慢波结构的工作模式是空心慢波结构TM01模的π模，对应波段为Ka波段。在第一内慢波结构505b1、第二内慢波结构505b2之间设置有1个形状为圆盘状的内调制腔518b，内调制腔518b的半径R14'大于内慢波结构慢波叶片外半径R4'；宽度L9'为工作波长λ2的1至2倍。第二内慢波结构505b2后接内锥形波导519b，内锥形波导519b的左侧内半径为R17'，右侧内半径为R6'，长度为L12'，L12'一般取值为工作波长λ2的 5-6倍。阳极内筒503b与内导体506之间围成的圆环空间为内微波输出口508b。内微波输出口508b的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。
本发明的工作过程如下：1)X波段微波产生：调节外阴极长度，使外阴极右端至外截止颈左端的距离在2cm～3cm范围，发射强流相对论电子束；电子束在磁场的导引下向同轴慢波作用区传输；在同轴慢波作用区内，电子束与同轴准TEM模式发生束-波作用，把能量交给微波场，激励起X波段的高功率微波振荡；高功率微波经输出波导纯化模式后辐射出去；2) Ka波段微波产生：调节内阴极长度，使内阴极右端至内截止颈左端的距离在1cm～2cm范围，发射强流相对论电子束；电子束在磁场的导引下向空心慢波作用区传输；在空心慢波作用区内，电子束与空心TM01模式发生束-波作用，把能量交给微波场，激励起Ka波段的高功率微波振荡；高功率微波经输出波导纯化模式后辐射出去；3)X、Ka波段微波同时产生：同时调节内外阴极长度，使外阴极右端至外截止颈左端的距离在2～3cm范围，内阴极右端至内截止颈左端的距离在1cm～2cm范围，可以同时激励起X、Ka波段高功率微波振荡。因此，仅通过调节内、外阴极与截止颈之间的距离，即可实现跨波段微波输出，调节方式简单易行。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
1、本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO，采用内、外双电磁结构技术方案，其中外部电磁结构用来激励起同轴慢波结构准TEM模的π模(对应电场分布见图7，属于X波段)，内部电磁结构用来激励起空心慢波结构的TM01模的π模(对应电场分布见图8，属于 Ka波段)。内、外两种电磁结构处于相互隔离的空间，工作过程相对独立，可以增大输出微波工作波段的间隔。该技术方案可以推广到其它波段，实现更大间隔的跨波段频率调节。
2、本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO，内、外双电磁结构共用一个外加螺线管磁场，即在相同的磁场位形和大小下均能激励起高功率微波振荡(输出微波随时间的变化关系见图9、图10)，有利于减小磁场的体积和重量，实现器件的轻小型化。
3、本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO，仅通过改变内、外阴极与截止颈之间的距离，既可实现跨X、Ka波段微波输出，又可实现双波段同时输出，调节方式简单易行。
4、本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO，采用1个隔离段，降低了内、外不同波段微波之间的相互影响，使两个波段均能实现较高的束-波作用效率。由图11可知，隔离段的宽度，能对束-波作用产生具有最优效果的峰值。
具体请参考根据本发明的跨X、Ka波段频率可调RBWO提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其它方面显而易见。
附图说明
图1为背景介绍中现有技术1公开的X波段机械调频RBWO的结构示意图；
图2为背景介绍中现有技术2公开的X波段机械调频RBWO的结构示意图；
图3为背景介绍中现有技术3公开的紧凑型低频段频率可调RBWO的结构示意图；
图4为背景介绍中现有技术4公开的一种X、Ku波段可调高功率微波源的结构示意图；
图5为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的A-A剖视立体示意图；
图6为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的A-A剖视图；
图7为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的外慢波结构与内导体组成的同轴慢波结构准TEM模的π模的电场分布图(对应X波段)；
图8为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的内慢波结构的TM01模式π模的电场分布图(对应Ka波段)；
图9为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的X波段微波随时间的变化趋势；
图10为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的Ka波段微波随时间的变化趋势；
图11为本发明提供的跨X、Ka波段频率可调RBWO优选实施例的隔离段的宽度L14对输出微波束-波作用效率的影响结果示意图。
图例说明：
外阴极座501a；外阴极502a；阳极外筒503a；外截止颈504a；外慢波结构505a(外慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ1)；隔离段520；内导体506；外调制腔518a；外提取腔514a；外锥形波导519a；外微波输出口508a；支撑杆510a；螺线管磁场509。
内阴极座501b；内阴极502b；阳极内筒503b；内截止颈504b；前置反射腔511；内慢波结构505b(工作波长为λ2)；内调制腔518b；内锥形波导519b；内微波输出口508b。
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5为本发明跨X、Ka波段频率可调RBWO的A-A剖视立体示意图，图6为该实施方式的A-A剖视图。
本发明由内外两套电磁结构组成，外部电磁结构包括外阴极座501a；外阴极502a；阳极外筒503a；外截止颈504a；第一外慢波结构505a1；第二外慢波结构505a2(两段外慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ1)；隔离段520；内导体506；外调制腔518a；提取腔514；外锥形波导519a；外微波输出口508a；第一支撑杆510a1；第二支撑杆510a2；螺线管磁场509；内部电磁结构包括内阴极座501b；内阴极502b；阳极内筒503b；内截止颈 504b；前置反射腔511；第一内慢波结构505b1；第二内慢波结构505b2(两段内慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ2)；内调制腔518b；内锥形波导519b；内微波输出口508b。整个结构关于中心轴线旋转对称。
外阴极座501a、内阴极座501b、阳极外筒503a、阳极内筒503b通常采用无磁不锈钢材料，外截止颈504a、内截止颈504b、前置反射腔511、外慢波结构505a、内慢波结构505b、隔离段520、内导体506、外锥形波导519a、内锥形波导519b通常采用无磁不锈钢、无氧铜或钛等材料，外阴极502a、内阴极502b可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料，螺线管磁场509采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。外阴极座501a、内阴极座501b左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒503a左端外接脉冲功率驱动源的外导体。
分别调节阴极的长度，进而改变阴阳极间距(阴极右端至截止颈左端的距离)：当调节外阴极长度，使外阴极右端至外截止颈左端的距离在2cm～3cm范围，产生X波段微波；当调节内阴极长度，使内阴极右端至内截止颈左端的距离在1cm～2cm范围，产生Ka波段微波；当同时调节外阴极和内阴极长度，使外阴极右端至外截止颈左端的距离在2～3cm范围，内阴极右端至内截止颈左端的距离均在1cm～2cm范围，同时产生X、Ka波段微波，从而实现对工作状态的控制。
外阴极502a是一个薄壁圆筒，套在外阴极座501a右端，壁厚仅为0.1mm，外阴极502a 半径R1等于外电子束的半径。外截止颈504a呈圆盘状，外截止颈504a内半径为R2，R2＞R1，具体尺寸需要根据工作波长λ1优化设计。外慢波结构505a包括第一外慢波结构505a1和第二外慢波结构505a2两段，由8个相同的慢波叶片组成，第一外慢波结构505a1由3个慢波叶片组成，第二外慢波结构505a2由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4，内半径为R5，满足R4＞R5＞R1；慢波叶片长度L1一般取值为工作波长λ1的0.2-0.4倍，在本实施例中L1为工作波长λ1的0.3倍；外慢波结构505a与内导体506组成的同轴结构的工作模式是同轴慢波结构准TEM模的π模，对应波段为X波段。在第一外慢波结构505a1和第二外慢波结构505a2之间设置有1个形状为圆盘状的外调制腔518a，外调制腔518a的半径R14大于外慢波结构505a慢波叶片外半径R4；外调制腔518a宽度L9为工作波长λ1的0.9-1.3倍，在本实施例中L9为工作波长λ1的1.0倍。在第二外慢波结构505a2之后设置有1个形状为圆盘状的提取腔514，提取腔514的内半径R17和外半径R8满足R8＞R14＞R17＞R5，长度L4一般取值为工作波长λ1的0.3-0.5倍，在本实施例中L4为工作波长λ1的0.4倍。提取腔514后接外锥形波导519a，外锥形波导519a的左侧内半径为R17，右侧内半径为R6，R6＞R17，长度为L12，L12一般取值为工作波长λ1的1.5-2.5倍，在本实施例中L12为工作波长λ1的2倍。外截止颈504a、外慢波结构505a、外调制腔518a、提取腔514和外锥形波导519a依序通过螺纹或台阶连接，之后沿轴向紧贴阳极外筒503a的内壁并固定。隔离段520呈圆盘状，隔离段520外半径为R16，内半径为R15，长度L14，具体尺寸需要根据工作波长λ1、λ2优化设计。内导体506是外半径为R3的圆筒，左端面与外截止颈504a的右端面平齐，通过螺纹与隔离段520相连，右端通过第一支撑杆510a1和第二支撑杆510a2固定在阳极外筒503a的内壁上。内导体506右端与阳极外筒503a右端之间围成的圆环空间为外微波输出口508a。第一支撑杆 510a1位于与外锥形波519a右侧端点距离为L13的位置处，L13为工作波长λ1的1-2倍，在本实施例中L13为工作波长λ1的1.5倍。第二支撑杆510a2与第一支撑杆510a1之间的距离为L11， L11为工作波长λ1的0.1-0.3倍，在本实施例中L11为工作波长λ1的0.2倍。外微波输出口508a 的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。螺线管磁场509套在阳极外筒503a外壁上。
内阴极502b也是一个薄壁圆筒，套在内阴极座501b右端，壁厚仅为0.1mm，内阴极502b 半径R1'等于内电子束的半径。内截止颈504b呈圆盘状，内截止颈504b内半径为R2'，R2'＞R1'，具体尺寸需要根据工作波长λ2优化设计。前置反射腔511呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R2'，外半径R7满足R7＞R2'，反射腔宽度L3为工作波长λ2的0.4至0.6倍，在本实施例中 L3为工作波长λ2的0.5倍。内慢波结构505b包括第一内慢波结构505b1和第二内慢波结构 505b2两段，由14个相同的慢波叶片组成，第一内慢波结构505b1由5个慢波叶片组成，第二内慢波结构505b2由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4'，内半径为R5'，满足R4'＞R5'＞R1'；慢波叶片长度L1'一般取值为工作波长λ2的0.3-0.5倍，在本实施例中L1'为工作波长λ2的0.4倍；内慢波结构505b的工作模式是空心慢波结构TM01模的π模，对应波段为Ka波段。在第一内慢波结构505b1和第二内慢波结构505b2之间设置有1个形状为圆盘状的内调制腔518b，内调制腔518b的半径R14'大于内慢波结构505b慢波叶片外半径；内调制腔518b宽度L9'为工作波长λ2的1-2倍，在本实施例中L9'为工作波长λ2的1.5倍。第二内慢波结构505b2后接内锥形波导519b，内锥形波导519b的左侧内半径为R17'，右侧内半径为R6'，R6'＞R17'，长度为L12'，L12'一般取值为工作波长λ2的4.5-5.5倍，在本实施例中L12'为工作波长λ2的5倍。阳极内筒503b右端围成的圆环空间为内微波输出口508b。内微波输出口508b的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。
本发明运行时，调节阴极的长度，进而改变阴阳极间距(阴极右端至截止颈左端的距离)。当外阴阳极间距在2cm～3cm范围时，输出X波段高功率微波；当内阴阳极间距在2cm～3cm 范围时，输出Ka波段高功率微波；当内外阴阳极间距均在2cm～3cm范围时，同时输出X波段和Ka波段高功率微波。
本实施例实现了跨X(中心频率为8.4GHz，对应微波波长λ1＝3.6cm)、Ka(中心频率为 32.0GHz，对应微波波长λ2＝0.9cm)频率可调RBWO(相应的尺寸设计为：R1＝64mm，R2＝67mm， R3＝43mm，R4＝73mm，R5＝68mm，R6＝86mm，R8＝83mm，R14＝73mm，R15＝38mm，R16＝50mm，R17＝70mm，L1＝12mm，L3＝4.5mm，L4＝14mm，L9＝36mm，L11＝72mm，L12＝72mm， L13＝54mm，L14＝32mm；R1'＝17mm，R2'＝38mm，R4'＝21mm，R5'＝19mm，R6'＝25mm，R7＝40mm， R14'＝24mm，R17'＝22mm，L1'＝3.4mm，L9'＝12mm，L12'＝5mm)。
粒子模拟中，在二极管电压500kV、电流10kA、导引磁场0.8T，通过调节外阴极502a、内阴极502b的伸出与缩进，X波段输出微波最高功率2.0GW，束-波作用效率32％；Ka波段输出微波最高功率0.7GW，束-波作用效率30％。由上述结果可知，本发明克服了通常频率调谐RBWO调节方式复杂(多为两种以上结构参数的机械调节)、调节带宽窄(波段内调节或跨相邻波段的调频)、工作频段较低(ku波段以下)等不足，仅通过调节外阴极502a、内阴极502b的伸出与缩进，即可实现跨X、Ka波段大间隔频率可微调，并且还可实现双波段同时输出，对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。
参见图7，可知外慢波结构505a与内导体506组成的同轴慢波结构能激励起中心频率 8.4GHz(属于X波段)的准TEM模的π模的电场分布。
参见图8，可知内慢波结构505b能激励起中心频率32.0GHz(属于Ka波段)的TM01模式π模的电场分布。
参见图9，可知激励起X波段的高功率微波振荡，微波15ns起振，22ns后饱和，饱和后微波功率2.0GW。
参见图10，可知激励起Ka波段的高功率微波振荡，微波18ns起振，23ns后饱和，饱和后微波功率0.7GW。
参见图11，可知隔离段520的宽度L14对输出微波束-波作用效率存在影响，随着L14增大能使输出微波效率先增大后减小，当L14＝30mm时两个波段均能达到最高束-波作用效率。
当然，在本优选实施例中，各部件之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，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 (2)

1.一种跨X、Ka波段频率可调RBWO，其特征在于：所述RBWO由内外两套电磁结构组成，外部电磁结构包括外阴极座(501a)、外阴极(502a)、阳极外筒(503a)、外截止颈(504a)、第一外慢波结构(505a1)、第二外慢波结构(505a2)、隔离段(520)、内导体(506)、外调制腔(518a)、提取腔(514)、外锥形波导(519a)、外微波输出口(508a)、第一支撑杆(510a1)、第二支撑杆(510a2)、螺线管磁场(509)；内部电磁结构包括内阴极座(501b)、内阴极(502b)、阳极内筒(503b)、内截止颈(504b)、前置反射腔(511)、第一内慢波结构(505b1)、第二内慢波结构(505b2)、内调制腔(518b)、内锥形波导(519b)、内微波输出口(508b)，外慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ1，内慢波结构与内导体组合后的同轴慢波结构工作波长为λ2，整个结构关于中心轴线旋转对称；分别调节阴极的长度，进而改阴极右端至截止颈左端的距离：当调节外阴极(502a)长度，使外阴极(502a)右端至外截止颈(504a)左端的距离在2cm～3cm范围，产生X波段微波；当调节内阴极(502b)长度，使内阴极(502b)右端至内截止颈(504b)左端的距离在1cm～2cm范围，产生Ka波段微波；当同时调节外阴极(502a)和内阴极(502b)长度，使外阴极(502a)右端至外截止颈(504a)左端的距离在2～3cm范围，内阴极(502b)右端至内截止颈(504b)左端的距离在1cm～2cm范围，同时产生X、Ka波段微波，从而实现对RBWO工作状态的控制；
外阴极(502a)是一个薄壁圆筒，套在外阴极座(501a)右端，壁厚仅为0.1mm，外阴极(502a)半径R1等于外电子束的半径；外截止颈(504a)呈圆盘状，外截止颈(504a)内半径为R2，R2>R1，具体尺寸需要根据工作波长λ1优化设计；外慢波结构包括第一外慢波结构(505a1)、第二外慢波结构(505a2)两段，由8个相同的慢波叶片组成，第一外慢波结构(505a1)由3个慢波叶片组成，第二外慢波结构(505a2)由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4，内半径为R5，满足R4>R5>R1；慢波叶片长度L1一般取值为工作波长λ1的0.2-0.4倍；外慢波结构与内导体(506)组成的同轴结构的工作模式是同轴慢波结构准TEM模的π模，对应波段为X波段；在第一外慢波结构(505a1)、第二外慢波结构(505a2)之间设置有1个形状为圆盘状的外调制腔(518a)，外调制腔(518a)的半径R14大于慢波结构慢波叶片外半径R4；宽度L9为工作波长λ1的0.9-1.3倍；在第二外慢波结构(505a2)之后设置有1个形状为圆盘状的提取腔(514)，提取腔(514)的内半径R17和外半径R8满足R8>R14>R5，长度L4一般取值为工作波长λ1的0.3-0.5倍；提取腔(514)后接外锥形波导(519a)，外锥形波导(519a)的左侧内半径为R17，右侧内半径为R6，长度为L12，L12一般取值为工作波长λ1的1.5-2.5倍；隔离段(520)呈圆盘状，隔离段外半径为R16，内半径为R15，长度L14，具体尺寸需要根据工作波长λ1、λ2优化设计；内导体(506)是外半径为R3的圆筒，左端与外截止颈(504a)的右端平齐，通过螺纹与隔离段(520)相连，右端通过第一支撑杆(510a1)和第二支撑杆(510a2)固定在阳极外筒(503a)的内壁上；内导体(506)与阳极外筒(503a)之间围成的圆环空间为外微波输出口(508a)；第一支撑杆(510a1)位于与锥形波导右侧端点距离为L13的位置处，L13为工作波长λ1的1至2倍；第二支撑杆(510a2)与第一支撑杆(510a1)之间的距离为L11，L11为工作波长λ1的0.1至0.3倍；外微波输出口(508a)的右端接天线，参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得；螺线管磁场(509)套在阳极外筒(503a)的外壁上；
内阴极(502b)也是一个薄壁圆筒，套在内阴极座(501b)右端，壁厚仅为0.1mm，内阴极(502b)半径R1’等于内电子束的半径；内截止颈(504b)呈圆盘状，内截止颈(504b)内半径为R2’，R2’>R1’，具体尺寸需要根据工作波长λ2优化设计；前置反射腔(511)呈圆盘状，内半径等于截止颈(504b)内半径R2’，外半径R7满足R7>R2'，宽L3为工作波长λ2的0.4至0.6倍；内慢波结构包括第一内慢波结构(505b1)、第二内慢波结构(505b2)两段，由14个相同的慢波叶片组成，第一段内慢波结构由5个慢波叶片组成，第二段内慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R4’，内半径为R5’，满足R4’>R5’>R1’；慢波叶片长度L1’一般取值为工作波长λ1的0.3-0.4倍；内慢波结构的工作模式是空心慢波结构TM01模的π模，对应波段为Ka波段；在第一内慢波结构(505b1)、第二内慢波结构(505b2)之间设置有1个形状为圆盘状的内调制腔(518b)，内调制腔(518b)的半径R14’大于内慢波结构慢波叶片外半径R4’；宽度L9’为工作波长λ2的1至2倍；第二内慢波结构(505b2)后接内锥形波导(519b)，内锥形波导(519b)的左侧内半径为R17’，右侧内半径为R6’，长度为L12’，L12’一般取值为工作波长λ2的5-6倍；阳极内筒(503b)与内导体(506)之间围成的圆环空间为内微波输出口(508b)；内微波输出口(508b)的右端接天线，参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得。
2.根据权利要求1所述跨X、Ka波段频率可调RBWO，其特征在于：所述跨中心频率为8.4GHz，对应微波波长λ1＝3.6cm的X波段、中心频率为32.0GHz，对应微波波长λ2＝0.9cm的Ka波段频率可调RBWO的尺寸设计为：R1＝64mm，R2＝67mm，R3＝43mm，R4＝73mm，R5＝68mm，R6＝86mm，R8＝83mm，R14＝73mm，R15＝38mm，R16＝50mm，R17＝70mm，L1＝12mm，L3＝4.5mm，L4＝14mm，L9＝36mm，L11＝72mm，L12＝72mm，L13＝54mm，L14＝32mm；R1’＝17mm，R2’＝38mm，R4’＝21mm，R5’＝19mm，R6’＝25mm，R7＝40mm，R14’＝24mm，R17’＝22mm，L1’＝3.4mm，L9’＝12mm，L12’＝5mm。
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