CN109243944B - 一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，属于高功率微波技术领域，包括阳极外筒、阳极块、阴极和调谐组件，且阳极块包括多个扇形叶片和多个重入谐振腔，所述调谐组件包括调节盘、调谐螺杆和多个活动鼻锥，所述活动鼻锥的首端与调节盘连接，其末端嵌入重入谐振腔内部，所述重入谐振腔内部设有固定鼻锥，所述固定鼻锥与活动鼻锥的末端之间留有间隙以形成鼻锥间隙，所述调谐螺杆推动调节盘滑动以改变鼻锥间隙的轴向长度，本发明充分利用了磁控管的内部空间，不增加系统横向尺寸及磁体空间，提高了系统的轻小型化水平，可以在较宽调谐频率范围内保持较高的转换效率，适用于结构紧凑且频率可调轴向输出高功率微波系统之中。

Description

一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体地说涉及一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管。

背景技术

上世纪七十年代，随着脉冲功率技术和等离子体物理的发展以及高功率微波在定向能武器、粒子加速、短脉冲雷达等领域的潜在应用，高功率微波技术迅速发展起来，先后出现了多种不同类型的高功率微波源，主要有：相对论磁控管、相对论速调管、回旋管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器、相对论返波管等。由于高功率微波一般是利用强流相对论电子束与高功率微波器件的高频结构相互作用而产生的，因此，高功率微波器件是整个高功率微波源系统中的关键部件之一，其性能优劣将直接影响着整个高功率微波系统的最终表现。

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，在一些预警雷达系统中，由于抗干扰的需要，要求微波源具有较宽的工作带宽。因此，为了适应宽频率范围内的实际应用需求，发展轻小型化可调谐高功率微波器件是高功率微波技术的一大重要发展趋势。相对论磁控管因具有高效、结构紧凑等优点，成为了最具有应用前景的轻小型化高功率微波器件之一。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(Relativistic Magnetron，简称RM)成为了可调谐轻小型化高功率微波器件的首选。目前，可调谐RM通常采用的是在径向输出RM和衍射输出RM中通过改变慢波结构腔体的径向或轴向尺寸的办法来实现调谐的。对于径向调谐方式，具有以下缺点：(a)径向调节结构增大了系统横向尺寸且可能挤占磁体空间，不利于系统轻小型化设计；(b)要实现对所有谐振腔径向尺寸的同步精密调节要求机械调节结构有较高的控制精度，系统比较复杂。(c)在现在主要的高效RM轴向输出结构(如衍射输出结构或全腔输出结构)中采用径向调谐振谐振腔，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。对于轴向调谐方式，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，基于上述技术所存在的不利之处，需要提出新的调谐结构来提高可调谐RM的输出性能及轻小型化水平。

发明内容

发明人在长期实践中发现：早期径向RM的提取方式破坏了器件阳极角向对称性而使得转换效率降低，同时，由于输出波导需要从径向引出，大大增加了励磁系统的设计难度以及体积和重量，不利于系统的轻小型化设计。与传统径向提取结构RM相比，轴向衍射输出RM由于其不会破坏阳极谐振腔的角向对称性使得可以实现较高的束波转换效率和更紧凑的磁体布局。但是，为了保证高效输出，轴向衍射输出RM的谐振腔半径需要沿轴向渐变扩大到输出波导半径，使谐振腔内产生的高功率微波通过轴向的喇叭天线提取并辐射出去，而其输出波导半径必须大于输出模式在工作频率的截止半径，导致输出结构横向及纵向尺寸均较大，不利于实现器件的小型化设计。

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种高效、紧凑的可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，以实现缩减可调谐振RM器件体积、减小磁体体积重量、实现系统轻小型化的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，包括同轴心设置的阳极外筒、阳极块和阴极，且阳极块包括多个扇形叶片和多个重入谐振腔，还包括可在阳极外筒中沿轴线滑动的调谐组件，所述调谐组件包括调节盘、调谐螺杆和多个活动鼻锥，所述调节盘围绕阳极外筒的内壁设置，且调节盘与阳极外筒同轴心设置，所述活动鼻锥的首端与调节盘连接，其末端嵌入重入谐振腔内部，所述重入谐振腔内部设有固定鼻锥，所述固定鼻锥与活动鼻锥的末端之间留有间隙以形成鼻锥间隙，所述调谐螺杆的一端与阳极外筒的内壁固连，其另一端与调节盘螺纹连接，所述调谐螺杆推动调节盘沿着阳极外筒的内壁滑动以改变鼻锥间隙的轴向长度。

进一步，所述活动鼻锥、固定鼻锥均为横截面呈扇形的金属，且活动鼻锥和固定鼻锥的数量相等，所述固定鼻锥的数量不多于重入谐振腔的数量。

进一步，所述活动鼻锥、固定鼻锥的张角等于重入谐振腔的张角。

进一步，所述阴极设置在阳极外筒内部，所述阳极块设置在阴极与阳极外筒之间，且阳极块与阳极外筒的内壁连接。

进一步，所述阳极块上设置有多根耦合天线，且多根耦合天线沿着阳极外筒呈角向均布。

进一步，所述耦合天线的左端与扇形叶片连接，其右端嵌入圆波导中。

进一步，所述耦合天线沿着阳极外筒的轴向设置。

进一步，所述阳极外筒的左端与阴极左端形成磁控管外部高压馈入端，所述阳极外筒的右端与耦合天线的右端之间形成圆波导输出段。

进一步，所述调节盘的外径与阳极外筒的左端内径相等。

进一步，所述阳极外筒的外围设有磁体，所述磁体为永磁磁体或电磁体。

本发明的有益效果是：

调谐组件和耦合天线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，在调谐过程中系统径向尺寸没改变，磁控管阻抗变化较小，可以在较宽调谐频率范围内保持较高的转换效率，适用于结构紧凑且频率可调轴向输出高功率微波系统之中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中A-A剖面结构示意图；

图3是图1中B-B剖面结构示意图；

图4是图1中C-C剖面结构示意图；

图5是调节盘及活动鼻锥装配结构前视图；

图6是调节盘及活动鼻锥装配结构侧视图；

图7是实施例二中微波输出结果图。

附图中：1-阳极外筒、2-阳极块、3-鼻锥间隙、4-阴极、5-耦合天线、6-多天线微波提取段、7-圆波导输出段、8-调谐螺杆、9-调节盘、10-活动鼻锥、11-固定鼻锥、12-磁体。

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1-6所示，一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，包括阳极外筒1、阳极块2、阴极4、调谐组件和多根耦合天线5，其中，阳极外筒1、阳极块2和阴极4同轴心设置，所述阴极4设置在阳极外筒1内部，所述阳极块2设置在阴极4与阳极外筒1之间，且阳极块2与阳极外筒1的内壁连接，所述阳极外筒1的外围设有磁体12，且磁体12为永磁磁体或电磁体。

所述阳极块2包括多个扇形叶片和多个重入谐振腔，相邻2个扇形叶片的径向壁内凹形成重入谐振腔，所述重入谐振腔内部设有固定鼻锥11。所述多根耦合天线5沿着阳极外筒1呈角向均布，且耦合天线5设为圆柱杆，也就是说，多根耦合天线5所在圆周的中轴线与阳极外筒1的中轴线重合。所述耦合天线5的左端与扇形叶片连接，其右端嵌入圆波导中，且耦合天线5沿着阳极外筒1的轴向设置并位于扇形叶片的角向中心线上，所述耦合天线5与阳极块2可以一体成型或者通过其他方式连接。同时，所述阳极外筒1的左端与阴极4左端形成磁控管外部高压馈入端，所述阳极外筒1的右端与耦合天线5的右端之间形成圆波导输出段7，所述重入谐振腔与圆波导输出段7之间形成多天线微波提取段6。

调谐组件可在阳极外筒1中沿轴线滑动，其包括调节盘9、调谐螺杆8和多个活动鼻锥10，其中，所述调节盘9围绕阳极外筒1的内壁设置，且调节盘9与阳极外筒1同轴心设置，所述调节盘9的外径与阳极外筒1的左端内径相等。所述活动鼻锥10的首端与调节盘9连接，其末端嵌入重入谐振腔内部，且固定鼻锥11与活动鼻锥10的末端之间留有间隙以形成鼻锥间隙3。所述调谐螺杆8的一端与阳极外筒1的内壁固连，其另一端与调节盘9螺纹连接，通过调谐螺杆8推动调节盘9沿着阳极外筒1的内壁滑动以改变鼻锥间隙3的轴向长度(即鼻锥间隙3的间隙长度)。同时，所述活动鼻锥10、固定鼻锥11均为横截面呈扇形的金属，且活动鼻锥10和固定鼻锥11的数量相等，所述固定鼻锥11的数量不多于重入谐振腔的数量，且活动鼻锥10、固定鼻锥11的张角等于重入谐振腔的张角。此外，固定鼻锥11与阳极块2可以一体成型或者通过其他方式连接，所述调节盘9与活动鼻锥10可以一体成型或者通过其他方式连接。

借助调谐螺杆8调节活动鼻锥10轴向伸入重入谐振腔的深度，从而使不同的重入谐振腔具有不同的鼻锥间隙3，进而对应不同谐振频率。在完成活动鼻锥10位置调节后，在阳极块2、阴极4间加上高压电脉冲形成径向电场，与磁体12所形成的轴向磁场正交，由阴极4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高频场的相速同步时，电子与高频场间发生换能，产生高功率微波；高功率微波通过耦合天线5输出到圆波导中并在圆波导中形成低阶模式输出到下游。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

阳极块2上分别有6个角向均匀分布的扇形叶片和重入谐振腔，扇形叶片的内半径为33.6mm，其外半径为76mm，其轴向长度为92mm，其张角为40°；重入谐振腔的内半径为33.6mm，其外半径为76mm，其轴向长度为92mm，其张角为20°。鼻锥间隙3共六个，分别位于六个重入谐振腔内，鼻锥间隙3的内半径为61mm，其外半径为64mm，其张角为20°，其轴向长度为82mm。耦合天线5设有3根，且3根耦合天线5分别设置在奇数个扇形叶片的角向中心线上，且耦合天线5的直径为10mm，其长度为98mm，三根3根耦合天线5所在圆周的直径为94mm，圆波导输出段7的外半径为79mm，其轴向长度为150mm。

利用粒子模拟软件对上述结构尺寸下的可调谐多天线轴向输出相对论磁控管在馈入电压约600kV、引导磁场约0.3T的条件下进行计算，微波输出结果如图7所示。

由图7中可以看出：当调节鼻锥间隙3的轴向长度时，输出微波频率从1.23GHz到1.7GHz连续变化；在上述频率范围内，输出微波功率在1.2GW到1.81GW之间变化，效率在36.2％到54.5％之间变化。也就是说，在较低引导磁场条件下及较宽频率调谐范围内，本申请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轴向输出高功率微波系统之中。

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 (10)

1.一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，包括同轴心设置的阳极外筒、阳极块和阴极，且阳极块包括多个扇形叶片和多个重入谐振腔，其特征在于，还包括可在阳极外筒中沿轴线滑动的调谐组件，所述调谐组件包括调节盘、调谐螺杆和多个活动鼻锥，所述调节盘围绕阳极外筒的内壁设置，且调节盘与阳极外筒同轴心设置，所述活动鼻锥的首端与调节盘连接，其末端嵌入重入谐振腔内部，所述重入谐振腔内部设有固定鼻锥，所述固定鼻锥与所述阳极块一体成型，所述固定鼻锥与活动鼻锥的末端之间留有间隙以形成鼻锥间隙，所述调谐螺杆的一端与阳极外筒的内壁固连，其另一端与调节盘螺纹连接，所述调谐螺杆推动调节盘沿着阳极外筒的内壁滑动以改变鼻锥间隙的轴向长度。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述活动鼻锥、固定鼻锥均为横截面呈扇形的金属，且活动鼻锥和固定鼻锥的数量相等，所述固定鼻锥的数量不多于重入谐振腔的数量。

3.根据权利要求2所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述活动鼻锥、固定鼻锥的张角等于重入谐振腔的张角。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述阴极设置在阳极外筒内部，所述阳极块设置在阴极与阳极外筒之间，且阳极块与阳极外筒的内壁连接。

5.根据权利要求4所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述阳极块上设置有多根耦合天线，且多根耦合天线沿着阳极外筒呈角向均布。

6.根据权利要求5所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述耦合天线的左端与扇形叶片连接，其右端嵌入圆波导中。

7.根据权利要求6所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述耦合天线沿着阳极外筒的轴向设置。

8.根据权利要求7所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述阳极外筒的左端与阴极左端形成磁控管外部高压馈入端，所述阳极外筒的右端与耦合天线的右端之间形成圆波导输出段。

9.根据权利要求8所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述调节盘的外径与阳极外筒的左端内径相等。

10.根据权利要求5所述的一种可调谐多天线轴向输出相对论磁控管，其特征在于，所述阳极外筒的外围设有磁体，所述磁体为永磁磁体或电磁体。