CN109585242B - 一种双频高功率微波产生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波激射器领域，提出了一种双频高功率微波产生器。主要包括阴极引杆、环形爆炸发射阴极、磁体系统，以及轴向的高功率微波产生器和径向的高功率微波产生器，二者由同源的电压波注入驱动，分别在轴向均匀和径向均匀的低引导磁场下工作。阴极引杆位于结构的最左端，与环形爆炸发射阴极相连接。轴向和径向高功率微波产生器通过管头相共同构成管体，磁体系统套在管体外部。电压波注入，环形爆炸发射阴极以轴向和径向两个环形刀口处同时产生环形电子束，电子束在二极管区域强电场的作用下产生加速，分别在引导磁场的作用下注入到轴向和径向的高功率微波产生器中，进而可以同时驱动两个高功率微波器件，产生同一或不同波段的高功率微波输出。

Description

一种双频高功率微波产生器

技术领域

本发明属于微波激射器领域，特别是涉及一种双频高功率微波产生器。

背景技术

高功率微波(High power microwave，HPM)一般是指峰值功率大于100MW，或者平均功率大于1MW，频率在300MHz到300GHz之间的强电磁辐射，在粒子加速器、等离子加热、功率传输、高功率雷达等领域有很大的应用潜力；特别是在复杂电磁环境构建方面，高功率微波技术在现代电子信息方面的作用非常引人注目。

实现低磁场下高功率微波的输出是目前高功率微波技术发展的重要方向。如果器件工作在较低磁场状态，将极大降低HPM系统磁体重量，将促进高功率微波源的小型化、实用化。有研究表明，如果用两个或多个频率的高功率微波脉冲攻击电子系统，所需要的破坏阈值会降低，采用这种技术会使功率微波技术更快地趋于实用。

然而，国内外报道的产生双频高功率微波方法大多是使用两套单独的单频微波源，这种方法存在一些不足：首先实现微波源锁相输出，实现两套或多套独立运行的微波源同步输出存在一定困难；其次，两套或多套独立运行的微波源的空间辐射方向图较为复杂，不利于高功率微波的实际应用；另外，两套独立运行的微波源需要两套独立的驱动源系统和磁体系统，带来的研究成本较高。因此，如何通过一个高功率微波产生器同时输出两个频率的辐射输出具有重要的研究价值，这也是高功率微波技术研究的一个新方向。

一种典型的双频高功率微波产生器(International Journal of Infrared andMillimeter Waves,1999,20:83-92)，结构如附图1所示，包括加速器1、折箱2、二极管3、波纹壁波导4、磁体系统5。该器件将轴向工作的相对论返波管和相对论奥罗管使用T型结构与同一个加速器相连，在加速器与切伦科夫器件之间通过折箱2来保证二者的同轴性。前级加速器产生的电压波通过T型分支分别馈入到两个二极管3中，石墨阴极在场致作用下产生电子束。电子束在二极管高压作用下获得加速，在两个磁体系统5产生的磁场引导下分别进入返波管和奥罗管的波纹壁波导4中。两个磁体系统5产生的引导磁场的场强为1.5T，二极管工作电压为400kV，相对论返波管工作电流3.08kA，工作频率为9.6GHz，输出功率为10MW，功率转换效率为0.81％；奥罗管工作电流2.64kA，工作频率为37.5GHz，输出功率为1MW，功率转换效率为0.09％。

该器件理论上可以通过设计分离的器件使得两个器件工作在不同的微波频段上，同时在两个轴向上输出高功率微波。该器件在本质上是两个独立工作的切伦科夫振荡器，使用了两个环形的双阴极结构，它使用了两套独立的脉冲磁体系统提供引导磁场，这不仅对于系统的实现带来了较高的成本，同时也导致器件的实验和使用更加繁复。

另一种典型的双频高功率微波产生器件，专利号CN 105869972A，结构如附图2所示。其结构包括绝缘端1、阴极2、L波段相对论返波管3、Ku波段相对论返波管4、支撑圆环7、辐射末端8、辐射天线介质窗9，附图2中5、6分别是在L波段和Ku波段相对论返波管内传输的环形电子束。可控双发射直径阴极由同轴的内、外环形阴极组成，并与带有正反螺纹的螺杆连接。该器件将低频器件中同轴内导体作为高频段器件，利用可控双直径电子束使相对论返波管可根据需要依次产生L波段，Ku波段单频高功率微波，或同时产生L波段，Ku波段双频高功率微波。

该器件通过两个间隔四分之一L波段波长的支撑圆环将两个波段的器件相连接，并且使得两个波段的器件处于等电位状态，进而在同一器件内部实现了L波段和Ku波段两个波段的微波输出。但是对于相对论返波管工作频段越高，所需引导磁场越高，工作频段越低，器件尺寸越大，该器件内部的相对论返波管需要较强的引导磁场，因而需要能在大尺寸内提供较大磁场的磁体系统，这在磁体系统实现上会带来较大成本；同时内部的空心返波管的外径尺寸受限于外部的同轴返波管的内径尺寸，因而内部的空心返波管只能工作在较高的工作频率，在频段实现上受到了一定限制。

发明内容

针对以上双频高功率微波产生器磁体系统成本高、操作复杂、工作频带受限等问题，本发明提出了一种双频高功率微波产生器，旨在通过物理结构和磁场设计，通过一套磁体系统实现高功率微波的双频输出，同时工作频段不会产生互相限制。

本发明利用双环形刀口的环形阴极，同时在径向和轴向上输出两路高功率微波，巧妙实现了在空间上没有相互耦合的两路高功率微波，理论上可以工作在不同波段，也可以工作在同一波段；与传统器件相比可以有效降低器件阻抗，提高器件的注入功率以及功率容量；与现有的双频器件相比，磁体系统成本得到了有效降低，试验和应用中的操作也更加简便。

本发明的技术解决方案是提供一种双频高功率微波产生器，其特殊之处在于：包括阴极引杆、环形爆炸发射阴极、轴向高功率微波产生器、径向高功率微波产生器和磁体系统；

上述环形爆炸发射阴极为圆筒状，包括轴向环形刀口及沿圆筒状环形爆炸发射阴极外圆周周向设置的径向环形刀口；环形爆炸发射阴极靠近径向环形刀口的一端固定在阴极引杆上；

上述轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器同轴设置；轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器分别包括第一管头与第二管头，上述第一管头与第二管头连接；

上述磁体系统同轴套设在轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器的外围；

上述环形爆炸发射阴极位于第一管头与第二管头连接后形成的空腔内，上述轴向环形刀口及径向环形刀口产生的电子束，分别沿着磁力线的方向注入到轴向高功率微波产生器及径向高功率微波产生器中。

本发明双频高功率微波产生器件结构中采用轴向与径向高功率微波器件并联工作的方式，采用同一套磁体系统。在两个环形刀口处同时产生轴向和径向的电子束，在二极管区域强电场的作用下产生加速，分别沿着磁力线的方向注入到轴向和径向高功率微波产生器件中，进而可以同时驱动两个高功率微波器件，同时产生不同波段的高功率微波输出。在该器件中，产生两个波段高功率微波的束波互作用区域在空间上相互独立，因而在理论上可以工作在跨度较大的波段而互不干扰。

进一步地，上述环形爆炸发射阴极包括固定部及发射部，上述轴向环形刀口位于发射部的一端，发射部的另一端与固定部一体设置，上述径向环形刀口位于发射部的外周面且靠近固定部；

上述固定部与阴极引杆连接。

进一步地，上述径向环形刀口与发射部的外周面垂直或倾斜设置。

进一步地，上述固定部外圆周面上设有螺纹，用于与阴极引杆连接。

进一步地，上述磁体系统包括厚度相同的第一环状磁体系统及第二环状磁体系统，上述第一环状磁体系统与轴向高功率微波产生器同轴套设在轴向高功率微波产生器的外围，第一环状磁体系统的一个端面位于径向高功率微波产生器的一侧；上述第二环状磁体系统与径向高功率微波产生器同轴且其端面位于径向高功率微波产生器的另一侧。

进一步地，上述第一管头的一个端面与第二管头的端面连接。

进一步地，上述轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器分别为相对论返波管和渡越时间振荡器。

进一步地，轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器信号频率相同或不同。

本发明的有益效果是：

1、本发明在物理结构上采用了轴向器件与径向器件相连接的形式，通过二者同时工作的方式实现了双波段高功率微波的同时输出。在拓扑结构上相当于二者并联工作，与传统轴向器件相比有效降低了工作阻抗，提高了器件的注入功率以及功率容量。

2、本发明中环形爆炸发射阴极的径向环形刀口位于阴极前端，轴向环形刀口位于阴极后端，在前级电压波作用下以两个环形刀口处为主同时产生环形电子束，在磁体系统在二极管加速区域内的磁力线引导下可以分别有效地注入到轴向高功率微波产生器与径向高功率微波产生器的管头中，进而独立驱动工作在不同频率的高功率微波器件。本发明首次结合径向器件和轴向器件，在物理结构上提出了新的器件拓扑结构，结构简单，操作方便。

3、本发明双频高功率微波产生器件结构中采用轴向与径向高功率微波器件并联工作的方式，采用同一套磁体系统，使用成本低。

4、本发明中产生两路高功率微波的器件在物理结构上通过二者的管头相连接，产生微波的束波互作用区域在物理结构上相互独立，没有直接关联，因而在理论上两路微波的工作频率可以实现较大跨度而互不干扰。

5、本发明中产生的径向高功率微波可以经过波导转接与轴向的高功率微波采用同一辐射机构输出，进而可以同时朝同方向产生高功率微波作用，攻击电子系统时可以降低破坏阈值。

附图说明

图1为现有技术的双频高功率微波产生器；

图2为现有技术的双频相对论返波管；

图3为本发明的高功率微波产生器示意图；

图中：1-阴极引杆，2-环形爆炸发射阴极，3-磁体系统，31-第一环状磁体系统，32-第二环状磁体系统，4-轴向高功率微波产生器，5-径向高功率微波产生器；

图4为本发明的环形爆炸发射阴极结构示意图；

图中：21-固定部，22-发射部，23-轴向环形刀口，24-径向环形刀口；

图5为本发明另一种环形爆炸发射阴极结构示意图；

图中：21-固定部，22-发射部，23-轴向环形刀口，24-径向环形刀口；

图6为本发明实施例的高功率微波产生器示意图。

图中：1-阴极引杆，2-环形爆炸发射阴极，21-固定部，22-发射部，3-磁体系统，31-第一环状磁体系统，32-第二环状磁体系统，4-轴向高功率微波产生器，5-径向高功率微波产生器，6-第一管头，7-谐振反射器，8-慢波结构，9-第一提取腔，10-第一电子束收集极，11-第一输出波导，12-第二管头，13-调制腔，14-第二提取腔，15-第二电子束收集极，16-第二输出波导。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

从图3至图6可以看出，本发明的双频高功率微波产生器包括阴极引杆1、环形爆炸发射阴极2、磁体系统3以及轴向高功率微波产生器4和径向高功率微波产生器5。其中磁体系统3、轴向高功率微波产生器4和径向高功率微波产生器5关于中心轴Z轴呈旋转对称设置。轴向高功率微波产生器4包括第一管头6，径向高功率微波产生器5包括第二管头12，轴向高功率微波产生器4和径向高功率微波产生器5通过第一管头6及第二管头12连接形成管体；共同构成该双频高功率微波产生器的阳极。磁体系统3套在管体外部。从图中可以看出，磁体系统3为环状并分为两部分，分别为第一环状磁体系统31及第二环状磁体系统32，其中第一环状磁体系统31套设在轴向高功率微波产生器4的外围，该部分的端面位于径向高功率微波产生器5的一侧，第二环状磁体系统32与第一环状磁体系统31同轴位于径向高功率微波产生器5的另一侧。环形爆炸发射阴极2的一端与阴极引杆1连接后设置于第一管头6与第二管头12连接后形成的空腔内。

从图4及图6可以看出，本发明环形爆炸发射阴极2包括固定部21及发射部22，发射部22为圆筒状，一端为轴向环形刀口23，另一端与固定部21一体设置，在发射部22的外周面沿周向设有径向环形刀口24，且径向环形刀口24靠近固定部21，该径向环形刀口24沿发射部22径向设置也可以在发射部22的外周面倾斜设置，如图5，倾斜设置时，径向环形刀口24与二极管区域内磁力线方向夹角更小。固定部21外圆周面上设有螺纹，用于与阴极引杆1连接。

在电压波的注入下，环形爆炸发射阴极2在前级加速器产生的高压电脉冲作用下主要在两个环形刀口处产生轴向和径向的环形电子束，在二极管区域强电场的作用下获得加速，在磁体系统3产生的二极管区域中磁场引导下沿着磁力线的方向分别注入到轴向高功率微波产生器4和径向高功率微波产生器5的第一管头6及第二管头12中。获得加速的强流相对论电子束随后在磁场的引导下分别进入轴向和径向的束波互作用区域，将电子束的能量转换为微波能量，进而可以同时产生不同波段的高功率微波输出。

实施例一

从图6可以看出，本实施例中轴向和径向高功率微波产生器分别采用相对论返波管和渡越时间振荡器实现高功率微波的产生。其中轴向的相对论返波管的结构包括第一管头6、谐振反射器7、慢波结构8、第一提取腔9、第一电子束收集极10和第一输出波导11；径向的渡越时间振荡器5的结构包括第二管头12、调制腔13、第二提取腔14、第二电子束收集极15和第二输出波导16。

阴极引杆1位于结构的最左端，与环形爆炸发射阴极2相连接。第一管头6的端面与第二管头12的一个端面固定连接，使得相对论返波管和渡越时间振荡器固定为一体形成整个器件的管体，作为该高功率微波产生器的阳极，磁体系统3套在管体外部。在电压波的注入下，环形爆炸发射阴极2的轴向环形刀口与径向环形刀口同时产生轴向和径向的电子束，在二极管区域强电场的作用下产生加速，分别沿着磁力线的方向注入到轴向的相对论返波管4和径向的渡越时间振荡器5中，进而可以同时驱动两个高功率微波器件，同时产生不同波段的高功率微波输出。沿轴向注入到相对论返波管中的电子束在慢波结构区域与电磁波相互作用，交出能量之后在第一电子束收集极10上被收集。沿径向注入到渡越时间振荡器中的电子束在调制腔13中与场发生能量交换，其能量在第二提取腔14中被进一步提取，最后在第二收集极15上被收集。

该器件在仿真中实现了较好的工作性能：二极管电压为500kV，等效工作电流和器件阻抗分别为10.4kA和48.07Ω，输出功率为1.21GW，等效功率转换效率为24.1％。轴向均匀区磁场强度0.84T，器件工作电流4.9kA，工作频率15.01GHz，输出功率766MW，功率转换效率达到31.3％；径向均匀区磁场强度0.5T，器件工作电流5.5kA，工作频率14.04GHz，输出功率达到485MW，功率转换效率为17.6％。

Claims (8)

1.一种双频高功率微波产生器，其特征在于：包括阴极引杆(1)、环形爆炸发射阴极(2)、轴向高功率微波产生器(4)、径向高功率微波产生器(5)和磁体系统(3)；

所述环形爆炸发射阴极(2)为圆筒状，包括轴向环形刀口(23)及沿圆筒状环形爆炸发射阴极(2)外圆周周向设置的径向环形刀口(24)；环形爆炸发射阴极(2)靠近径向环形刀口(24)的一端固定在阴极引杆(1)上；所述轴向高功率微波产生器(4)与径向高功率微波产生器(5)同轴设置；轴向高功率微波产生器(4)与径向高功率微波产生器(5)分别包括第一管头(6)与第二管头(12)，所述第一管头(6)与第二管头(12)连接；

所述磁体系统(3)同轴套设在轴向高功率微波产生器(4)与径向高功率微波产生器(5)的外围；

所述环形爆炸发射阴极(2)位于第一管头(6)与第二管头(12)连接后形成的空腔内，所述轴向环形刀口(23)及径向环形刀口(24)产生的电子束，分别沿着磁力线的方向注入到轴向高功率微波产生器(4)及径向高功率微波产生器(5)中。

2.根据权利要求1所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述环形爆炸发射阴极(2)包括固定部(21)及发射部(22)，所述轴向环形刀口(23)位于发射部(22)的一端，发射部(22)的另一端与固定部(21)一体设置，所述径向环形刀口(24)位于发射部(22)的外周面且靠近固定部(21)；

所述固定部(21)与阴极引杆(1)连接。

3.根据权利要求2所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述径向环形刀口(24)与发射部(22)的外周面垂直或倾斜设置。

4.根据权利要求2所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述固定部(21)外圆周面上设有螺纹。

5.根据权利要求1所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述磁体系统(3)包括厚度相同的第一环状磁体系统(31)及第二环状磁体系统(32)，所述第一环状磁体系统(31)与轴向高功率微波产生器(4)同轴套设在轴向高功率微波产生器(4)的外围，第一环状磁体系统(31)的一个端面位于径向高功率微波产生器(5)的一侧；所述第二环状磁体系统(32)与径向高功率微波产生器(5)同轴且其端面位于径向高功率微波产生器(5)的另一侧。

6.根据权利要求5所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述第一管头(6)的一个端面与第二管头(12)的端面连接。

7.根据权利要求1所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：所述轴向高功率微波产生器(4)与径向高功率微波产生器(5)分别为相对论返波管和渡越时间振荡器。

8.根据权利要求7所述的双频高功率微波产生器，其特征在于：轴向高功率微波产生器(4)与径向高功率微波产生器(5)信号频率相同或不同。

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