CN109860004B - 一种微波管永磁聚焦系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波管永磁聚焦系统，该永磁聚焦系统包括电子枪永磁组件，依次包括其中心形成有开口的上磁屏、上磁环和上磁钢外环；收集极永磁组件，依次包括其中心形成有开口的下磁屏、下磁环和下磁钢外环，所述下磁环与上磁环的充磁方向相反；以及两端部分别套接在所述上磁钢外环和下磁钢外环上的外环过渡环，所述上磁钢外环和下磁钢外环在朝向所述外环过渡环一侧分别包括有与外环过渡环端面对应配合的上配合端面和下配合端面，在微波管轴向方向所述上配合端面和下配合端面之间的距离大于外环过渡环长度。本发明的聚焦系统，可实现微波管的电子注聚焦长度和磁场强度的可调谐，确保电子注在直径为0.3～0.5mm，长度10‑20mm的电子注通道中能够聚焦。
Description
技术领域
本发明涉及微波管工装设计领域，具体涉及一种微波管永磁聚焦系统。
背景技术
微波管是一种利用高速电子注与微波信号互作用将电子注的动能转化成微波能量的功率放大器件。微波管广泛应用于导弹寻的、航天测控、目标成像、气象探测、电子对抗、卫星通讯等电子系统，是雷达系统的核心功率器件。在雷达系统中通常使用一只或者若干只微波管作为末级功率放大器。
微波管的相互作用发生在互作用系统中，电子注在穿过互作用系统时需要对电子注进行聚焦，否则电子注会因为电子间的斥力而立即发散，无法进行相互作用。永磁聚焦系统，是现如今最为常用的用于微波管实现均匀磁场聚焦的结构，可以起到约束电子注，避免其因电子间的斥力而发散的作用。在微波管工作的过程中，永磁聚焦系统保证大部分的电子穿过微波管的电子注通道，到达收集并耗散电子剩余能量的部件，但是此时仍有少部分电子击打在漂移管的内壁上，这部分被漂移管截获的电子数与总的电子数的比值越小，则说明磁聚焦系统的流通率越好。如果这部分电子的能量超过了微波管的承受范围，就会造成微波管的损坏。
目前微波管的工作频段越来越高，尤其是对于工作频率为毫米级以上波段(≥30GHz)的微波管，高频尺寸为毫米级，电子注通道的直径受到限制。直径越小的电子注通道，与聚焦系统匹配并实现良好聚焦的工艺实施难度越大，从使得聚焦系统的设计难以工程化应用。而且，通常一种聚焦系统只能针对某种固定直径和长度的电子注通道来设计，如果电子注聚焦长度发生改变，必须重新设计并制作聚焦系统。
因此，在保证高流通率的条件下，设计一种使得电子注与聚焦系统匹配可调谐，而且使得电子注可在更小直径，一定长度范围的电子注通道都能聚焦，确保不发散，而且有着更高的流通率的永磁聚焦系统十分紧迫而又意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调谐的永磁聚焦系统，以期通过调谐使得电子注与聚焦系统更加匹配，而且聚焦系统能够适用于不同聚焦长度的电子注，使得电子注可在更小直径，一定长度范围的电子注通道都能聚焦，确保不发散，而且有着更高的流通率。
根据本发明的一个方面，提供一种微波管永磁聚焦系统，该永磁聚焦系统包括电子枪永磁组件，依次包括其中心形成有开口的上磁屏、上磁环和上磁钢外环；收集极永磁组件，依次包括其中心形成有开口的下磁屏、下磁环和下磁钢外环，所述下磁环与上磁环的充磁方向相反；以及两端部分别套接在所述上磁钢外环和下磁钢外环上的外环过渡环，所述上磁钢外环和下磁钢外环在朝向所述外环过渡环一侧分别包括有与外环过渡环端面对应配合的上配合端面和下配合端面，在微波管轴向方向所述上配合端面和下配合端面之间的距离大于外环过渡环长度。
优选地，所述外环过渡环与上配合端面对应的端面的边缘向上配合端面方向延伸形成有第一凸缘，所述外环过渡环与下配合端面对应的端面的边缘向下配合端面方向延伸形成有第二凸缘。
优选地，所述上磁屏开口和下磁屏开口的直径为0.5-2mm，上磁屏和下磁屏之间的长度为10-30mm。
优选地，所述电子枪永磁组件进一步包括位于上磁屏和上磁环之间的上磁钢内环，所述收集极永磁组件进一步包括位于所述下磁屏和下磁环之间的下磁钢内环。
优选地，上磁屏和下磁屏、上磁钢外环和下磁钢外环、外环过渡环由纯铁制成；上磁环和下磁环为永磁材料。
优选地，上磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；下磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1。
优选地，上磁环的内径与上磁屏开口直径之比为10:1-40:1；下磁环的内径与下磁屏开口直径之比为10:1-40:1。
优选地，上磁环的开口处的厚度与开口直径之比为大于3:1；下磁环开口处厚度与开口直径之比为大于1:1。
优选地，下磁屏外侧表面还包括有与下磁钢内环相对应的环状卡槽。
根据本发明的另一方面，提供一种微波管，该微波管包括根据如上所述的永磁聚焦系统。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的聚焦系统中设置有相对于上磁屏可上下滑动的上磁环和上磁钢外环，可实现微波管的轴向磁场均匀区的长度(即电子注聚焦长度)和磁场强度分布可调谐，使得电子注与聚焦系统更加匹配，而且能够适用于不同聚焦长度的电子注，确保电子注在直径为0.3～0.5mm，长度10-20mm的电子注通道中都能够聚焦，且保持较高的流通率。而且本发明的聚焦系统设置有外环过渡环，通过外环过渡环与上磁钢外环、下磁钢外环的固定，确保调谐到合适的位置后，防止上磁钢外环、外环过渡环在微波管工作过程中出现滑动；另外，可调谐结构简单、操作方便、稳定性高，能够满足更多的实际应用。进一步地，本发明提供的聚焦系统配置有磁钢内环、磁钢外环和外环过渡环，进一步地确保电子注通道内的均匀磁场。
附图说明
图1为本发明提供的永磁聚焦结构的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图对根据本发明的实施例进行详细说明。应当理解的是，根据本发明的实施例是示意性的而非限定性的。不应将各实施例作为对本发明要求保护的范围的限制。
目前微波管的工作频段越来越高，尤其是对于工作频率为毫米级以上波段(≥30GHz)的微波管，高频尺寸为毫米级，电子注通道的直径受到限制。直径越小的电子注通道，与聚焦系统匹配并实现良好聚焦的工艺实施难度越大，从使得聚焦系统的设计难以工程化应用。而且，通常一种聚焦系统只能针对某种固定直径和长度的电子注通道来设计，如果电子注聚焦长度发生改变，必须重新设计并制作聚焦系统。本领域技术人员可理解的是，电子注通道的直径越小，电子注聚焦的工艺实施难度越高，电子注与聚焦系统越匹配，聚焦效果越好，流通率就越高。本发明优选的实施方式是通过设置相对于上磁屏可上下移动的上磁环和上磁钢外环，来实现微波管的轴向磁场均匀区的长度(即电子注聚焦长度)和磁场强度分布可调谐，使电子注与聚焦系统更匹配，而且能够适用于不同聚焦长度的电子注，确保电子注在直径为0.3～0.5mm，长度10-20mm的电子注通道中都能够聚焦，且保持较高的流通率。
如图1所示，本发明提供一种优选的实施方式，该优选的实施方式中提供一种微波管永磁聚焦系统，该聚焦系统包括电子枪永磁组件100，依次包括其中心形成有开口的上磁屏110、上磁环120和上磁钢外环130。聚焦系统还包括收集极永磁组件200，依次包括其中心形成有开口的下磁屏210、下磁环220和下磁钢外环230，其中上磁环120和下磁环220采用永磁材料，如钐钴、铝铁硼等。通过对上磁环120和下磁环220沿相反方向径向充磁，使得上磁环120和下磁环220的充磁方向相反，从而在上磁屏110、下磁屏210之间的区域产生均匀恒定的磁场，电子注在上磁屏的开孔处进入磁场均匀区，电子注受到轴向磁场的作用，保持不发散，再从下磁屏开孔处离开磁场均匀区，进入收集极。该上磁屏110和下磁屏210之间为电子注聚焦区域。该聚焦系统还包括两端部分别套接在上磁钢外环130和下磁钢外环230之间的外环过渡环300，外环过渡环300为纯铁制成，满足屏蔽磁场的要求。所述上磁钢外环130和下磁钢外环230在朝向所述外环过渡环300一侧分别包括有与外环过渡环300端面对应配合的上配合端面150和下配合端面250，在微波管轴向方向所述上配合端面150和下配合端面250之间的距离大于外环过渡环300长度。进一步地，所述外环过渡环300与上配合端面150对应的端面的边缘向上配合端面150方向延伸形成有第一凸缘310，所述外环过渡环300与下配合端面250对应的端面的边缘向下配合端面250方向延伸形成有第二凸缘320。所述第一凸缘310与上磁钢外环130之间有搭接区域，且第一凸缘310与上配合端面150之间留有间隔距离，所述第二凸缘320与下磁钢外环230之间有搭接区域，且第二凸缘320与下配合端面250之间留有间隔距离。本领域技术人员应当理解的是，所述第一凸缘310与上磁钢外环130之间、第二凸缘320与下磁钢外环230之间的搭接区域不大于10mm，使用者可以在电子注调试过程中相对于上磁屏上下移动上磁钢外环和上磁环来调节微波管的轴向磁场均匀区的长度(即电子注聚焦长度)和磁场强度分布，使电子注与聚焦系统更匹配，直到调整出需要的电子注聚焦长度和磁场强度分布，再将上磁钢外环、上磁环、外环过渡环、下磁钢外环和下磁环进行固定。采用本发明的聚焦系统，可实现微波管的轴向磁场均匀区的长度(即电子注聚焦长度)和磁场强度分布的可调谐，使电子注与聚焦系统更匹配，而且能够适用于不同聚焦长度的电子注，确保电子注在直径为0.3～0.5mm，长度10-20mm的电子注通道中都能够聚焦，且保持较高的流通率。而且本发明的聚焦系统设置有外环过渡环，通过外环过渡环与上磁钢外环、下磁钢外环的固定，确保调谐到合适的位置后，防止上磁钢外环、外环过渡环在微波管工作过程中出现滑动。可调谐结构简单、操作方便、稳定性高，能够满足更多的实际应用。而且进一步优选地，所述上磁屏110的出口管径与下磁屏210的出口管径可以为相同，也可以为不同，本领域技术人员根据实际需要可自行选择。
进一步地，所述第一凸缘和第二凸缘之间的长度与上配合端面和下配合端面之间的长度差小于10mm。
在本发明另一种优选的实施方式中，为保护磁环磕碰损坏，防止电子注通道处的磁场分布被破坏，同时也起到屏蔽磁场的作用，所述电子枪永磁组件100进一步包括位于上磁屏110和上磁环120之间的上磁钢内环140，所述收集极永磁组件200进一步包括位于所述下磁屏210和下磁环220之间的下磁钢内环240。进一步优选地，所述上磁钢内环和下磁钢内环的材质为纯铁材料，满足屏蔽磁场的要求。
在上述优选的实施方式的基础上，进一步优选地，本优选实施例中所述上磁屏110开口和下磁屏210开口的直径为0.5-2mm，上磁屏110和下磁屏210之间的长度为10-30mm。另外，需要说明的是，上磁环120的外径与内径之比为1.5:1-3:1；下磁环220的外径与内径之比为1.5:1-3:1；上磁环120的内径与上磁屏110开口直径之比为10:1-40:1；下磁环220的内径与下磁屏210开口直径之比为10:1-40:1；上磁环120的开口处的厚度与开口直径之比为大于3:1；下磁环220开口处厚度与开口直径之比为大于1:1。
另外，所述上磁屏110和下磁屏210、上磁钢外环130和下磁钢外环230、外环过渡环300可由纯铁制成；上磁环120和下磁环220可为永磁材料。进一步地，所述上磁钢内环140、上磁环120和上磁钢外环130粘接固定，再通过磁环对纯铁材料的吸附力吸附安装在上磁屏110上；所述下磁钢内环240、下磁环220和下磁钢外环230粘接固定，再通过磁环对纯铁材料的吸附力吸附安装在下磁屏210上。进一步地，下磁屏210外侧表面还包括有与下磁钢内环240相对应的环状卡槽260，磁钢下内环240与下磁屏210可通过环状卡槽260定位，进一步固定磁钢下内环和下磁环。
下面通过实施例1和实施例2对本发明进行进一步阐述。
实施例1
本发明的优选实施方式的聚焦系统中，该聚焦系统为用于微波管的永磁聚焦系统，该聚焦系统包括电子枪永磁组件，依次包括其中心形成有开口的上磁屏、上磁环和上磁钢外环；收集极永磁组件，依次包括其中心形成有开口的下磁屏、下磁环和下磁钢外环，设置在上磁钢外环和下磁钢外环之间的外环过渡环，其中上磁屏和下磁屏之间的长度设置为10mm，电子注通道的管径为0.3mm，磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；下磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；上磁环的内径与上磁屏开口直径之比为10:1-40:1；下磁环的内径与下磁屏开口直径之比为10:1-40:1；上磁环的开口处的厚度与开口直径之比为大于3:1；下磁环开口处厚度与开口直径之比为大于1:1，可以在直径为0.3mm，长度10mm的电子注通道获得流通率为93％的聚焦电子注。
实施例2
本发明的另一优选实施方式的聚焦系统中，该聚焦系统为用于速调行波管的永磁聚焦系统，该聚焦系统包括电子枪永磁组件，依次包括其中心形成有开口的上磁屏、上磁环和上磁钢外环；收集极永磁组件，依次包括其中心形成有开口的下磁屏、下磁环和下磁钢外环，设置在上磁钢外环和下磁钢外环之间的外环过渡环，其中上磁屏和下磁屏之间的长度设置为20mm，电子注通道的管径为0.5mm，磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；下磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；上磁环的内径与上磁屏开口直径之比为10:1-40:1；下磁环的内径与下磁屏开口直径之比为10:1-40:1；上磁环的开口处的厚度与开口直径之比为大于3:1；下磁环开口处厚度与开口直径之比为大于1:1，可以在直径为0.5mm，长度20mm的电子注通道获得流通率为97％的聚焦电子注。
通过实施例1和实施例2的结构可见，本发明提供的聚焦系统可实现微波管的轴向磁场均匀区的长度(即电子注聚焦长度)和磁场强度分布的可调谐，使电子注与聚焦系统更匹配，而且能够适用于不同聚焦长度的电子注，确保电子注在直径为0.3～0.5mm，长度10-20mm的电子注通道中都能够聚焦，且保持较高的流通率，流通率在93％以上。
根据本发明的另一种优选的实施方式，进一步提供了一种微波管，所述微波管包括如上所述的聚焦系统。所述微波管可为速调管等，本发明对此不作进一步限制。
所述微波管对现有技术所起到的优势作用与上述聚焦系统对现有技术所起的优势作用相同，在此不再赘述。
显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在阅读前述公开内容之后，本发明的各种其它变型和调整对于本领域技术人员将是显而易见的，并且意图是所有这样的变型和调整在所附权利要求的范围内。
Claims (9)
1.一种微波管永磁聚焦系统，其特征在于，该永磁聚焦系统包括：
电子枪永磁组件，依次包括其中心形成有开口的上磁屏、上磁环和上磁钢外环；
收集极永磁组件，依次包括其中心形成有开口的下磁屏、下磁环和下磁钢外环，所述下磁环与上磁环的充磁方向相反；以及
两端部分别套接在所述上磁钢外环和下磁钢外环上的外环过渡环，
所述上磁钢外环和下磁钢外环在朝向所述外环过渡环一侧分别包括有与外环过渡环端面对应配合的上配合端面和下配合端面，在微波管轴向方向所述上配合端面和下配合端面之间的距离大于外环过渡环长度，
其中，所述电子枪永磁组件进一步包括位于上磁屏和上磁环之间的上磁钢内环，所述收集极永磁组件进一步包括位于所述下磁屏和下磁环之间的下磁钢内环。
2.根据权利要求1所述的微波管永磁聚焦系统，其特征在于，所述外环过渡环与上配合端面对应的端面的边缘向上配合端面方向延伸形成有第一凸缘，所述外环过渡环与下配合端面对应的端面的边缘向下配合端面方向延伸形成有第二凸缘。
3.根据权利要求1所述的永磁聚焦系统，其特征在于，所述上磁屏开口和下磁屏开口的直径为0.5-2mm，上磁屏和下磁屏之间的长度为10-30mm。
4.根据权利要求1所述永磁聚焦系统，其特征在于，上磁屏和下磁屏、上磁钢外环和下磁钢外环、外环过渡环由纯铁制成；上磁环和下磁环为永磁材料。
5.根据权利要求1所述永磁聚焦系统，其特征在于，上磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1；下磁环的外径与内径之比为1.5:1-3:1。
6.根据权利要求1所述永磁聚焦系统，其特征在于，上磁环的内径与上磁屏开口直径之比为10:1-40:1；下磁环的内径与下磁屏开口直径之比为10:1-40:1。
7.根据权利要求1所述永磁聚焦系统，其特征在于，上磁环的开口处的厚度与开口直径之比为大于3:1；下磁环开口处厚度与开口直径之比为大于1:1。
8.根据权利要求1所述永磁聚焦系统，其特征在于，下磁屏外侧表面还包括有与下磁钢内环相对应的环状卡槽。
9.一种微波管，其特征在于，该微波管包括根据权利要求1-8任一项所述的永磁聚焦系统。
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