CN109935507B - 一种磁控管同轴高斯模式微波提取器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，包括中空的圆柱形的同轴波导体；同轴波导体包括内导体(1)和外导体(4)；内导体为圆柱形，位于同轴波导体底部的轴心位置；外导体与同轴波导体的外壳相连；且外导体的具有一个锥形的且锥口朝上凹陷部；其特征在于，外导体上设有2*n个周向等分布置的作用腔；n≥3，n为自然数；其中一对相对的作用腔的最大径向尺寸大于其余的n‑1对作用腔的最大径向尺寸，所述的一对相对的作用腔记为第一作用腔(3)，所述的其余的n‑1对作用腔记为第二作用腔(2)。该磁控管同轴高斯模式微波提取器结构紧凑，效率高。

Description

一种磁控管同轴高斯模式微波提取器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种磁控管同轴高斯模式微波提取器。

背景技术

微波技术起源于20世纪40年代，是一种将电能或光能转化成空间时变电磁场的物理技术。微波技术在雷达、遥感、远距离通信，生物医药、无损检测、基因工程、新能源领域均具有十分重要的作用。目前，微波技术重点向高能量、高功率、高频率方向发展，产生微波的元器件以及微波系统设备向小型化、自动化、多功能化方向发展。

微波管是微波产生系统的核心部件，其主要功能是将电能通过电子与空间谐振场的相互作用转化成微波能。磁控管属于微波管的一种，主要由四部分组成：电子发射极、高频互作用腔、收集极和微波提取器。微波提取器的主要作用是将高频互作用腔中产生的微波有效提取和输出的装置。通常情况下，磁控管的微波提取器安放在高频互作用腔的底部，采用孔缝耦合的方式，实现微波的提取输出。这种微波提取器被称为径向微波提取器。径向微波提取器一般是由矩形波导或变张角喇叭构成，输出微波的初始方向与磁控管的轴线方向相垂直。径向微波提取器的主要缺点在于：1.输入与输出不同轴；2.径向分支系统较大；3.磁场被分割；4.很高功率水平下无法使用。为此，科研人员提出了一种将特殊的圆波导结构直接加载到磁控管的轴向末端，实现微波的共轴提取，解决磁控管目前存在的问题。美国新墨西哥州大学研究人员最早提出一种磁控管微波提取器【M.I.Fuks，N.F.Kovalev，A.D.Andreev，and E.Schamiloglu.Mode Conversion in a Mangetron With AxialExtraction of Radiation.IEEE Trans.Plasma.Sci.34，620-628，2006.】，参见图1，其特点是将高频互作用腔逐渐渐变到一个与之连接的圆波导内壁上。该共轴微波提取器虽然解决了输入与输出不同轴，存在径向分支的问题，但微波提取效率很低，只有10％左右。随后，日本长冈技术大学的科研人员提出了一种改进方案，即在微波提取器内部增加一个角度变量使得渐变高频互作用腔具有较大的内张角【M.Daimon and W.Jianga.Modifiedconfiguration of relativistic magnetron with diffraction output forefficiency improvement.Appl.Phys.Lett.91，191503，2007.】。研究结果表明：改进后的磁控管微波提取器有利于提取效率的提高。为了整管的紧凑化和小型化，实现直接输出高斯模式微波，中国国防科技大学科研人员提出了一种能够辐射TE₁₁模式微波的磁控管微波提取器【Wei Li，YongGui Liu.An efficient mode conversion configuration inrelativistic magnetron with axial diffraction output.J.Appl.Phys.106，053303，2009.】，通过只渐变角向两个直线对称的高频互作用腔实现准高斯微波模式的提取。但是在进一步的研究中发现，该型磁控管微波提取器输出高斯模式不纯净，微波提取效率偏低。

图1为背景技术所述的美国新墨西哥州大学磁控管微波提取器。由于采用圆波导结构，并且波导内的角向作用腔全部采用渐变形式到圆波导上，因此微波功率提取效率低，辐射模式难以保证。

图2为背景技术所述的中国国防科技大学提出的磁控管微波提取器。同样采用圆波导结构，虽然波导内的角向作用腔采用直角突变形式并插入了扇形体，但由于结构失配，与磁控管耦合不充分，除了角向一对直线对称的作用腔外，其余高频互作用腔中的场未能有效提取，造成微波功率提取效率较低，辐射模式不纯净。

因此，有必要设计一种新的磁控管同轴高斯模式微波提取器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，采用本发明的同轴高斯模式微波提取器，可实现磁控管特别是高功率磁控管的小型化、紧凑化和高效率。

发明的技术解决方案如下：

一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，包括中空的圆柱形的同轴波导体；同轴波导体包括内导体和外导体；内导体为圆柱形，位于同轴波导体底部的轴心位置；外导体与同轴波导体的外壳相连；且外导体的具有一个锥形的且锥口朝上(或称为朝外)凹陷部；

外导体上设有2*n个周向等分布置的作用腔；n≥3，n为自然数；

其中一对相对的作用腔的最大径向尺寸大于其余的n-1对作用腔的最大径向尺寸，所述的一对相对的作用腔记为第一作用腔，所述的其余的n-1对作用腔记为第二作用腔。第一作用腔又称为长作用腔，第二作用腔又称为短作用腔。

n-1对第二作用腔的形状和尺寸相同。

n＝3或4。

所述的第一作用腔的底部且位于同轴波导体的外壳内壁的位置各设有一个扇形体。

作用腔与内导体之间有间隙。

扇形体的长度Lt与内导体长度Lin呈整数倍关系，即Lt＝N*Lin，N＝1，2，3，...，扇形体的高度Ht与磁控管的1/4倍工作波长λ呈整数倍关系，即Ht＝N*i/4*λ，N＝1，2，3，...。

本发明的工作原理是：一方面通过作用腔与磁控管的全部高频互作用腔连通并且内导体和磁控管阴极光滑连接，总体无突变结构，既不产生反射，又可充分提取所有高频互作用腔的场和能量；另一方面通过设置这样的结构可让一个长的扇形作用腔两边的短扇形作用腔空间场形状向长扇形作用腔汇聚，形成半个高斯场型，再通过一定长度的轴向渐变对称叠加，最终在输出口上形成高斯模式场型。

优势在于：1.将磁控管中的微波能量高效率提取；2.可在有限长度内直接产生能量集中、方向性好的高斯模式微波输出，有利于小型化。

本发明采用以下技术方案：

一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，其特征在于：1、同轴波导体，包含：内导体和外导体；2、外导体半径由小到大逐渐增大；3、外导体的角向方向具有分阶段、分层次变化的作用腔。4.具有模式调节作用的扇形体。

整个提取器由金属材料制成。同轴波导体的内导体与磁控管的发射极共轴连接，内导体半径大于磁控管发射极半径。外导体与磁控管的高频互作用腔共轴连接。外导体的半径在轴线方向上逐渐增大，最小半径与磁控管的阳极半径相同，最大半径与所连接的圆波导半径相同。

外导体的角向具有一定周期结构的作用腔，作用腔数目与磁控管高频互作用腔数目相同，角向直线相对方向的成对作用腔结构参数相同，所有作用腔半径大于磁控管高频互作用腔的半径，作用腔深度与磁控管1/2倍的高频互作用腔深度呈整数倍关系。当角向一对直线相对的作用腔腔半径与圆波导半径相同并且内部插有扇形体时，可保证高斯模式微波的高效率提取。

有益效果：

本发明正是针对现有磁控管直接输出高斯模式微波不纯净，共轴微波提取效率偏低的问题，提出一种将同轴高频互作用腔分阶段、分层次渐变到圆波导内壁上，真正实现纯净的高斯微波模式输出和微波功率提取效率的提高，达到磁控管系统高效、紧凑的目的，为高功率小型化应用奠定基础。

本发明提出的一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，当与磁控管相连时，不仅可以缩小整个系统的体积、实现高度紧凑化，还有利于高斯模式的直接提取。实际结果显示，使用本发明后输出微波功率效率可达50％，圆波导输出口面的微波矢量场呈高斯分布。

本发明既能保证高斯模式输出的纯净性，又具有较高的微波提取效率，实现整管的紧凑高效。

附图说明

图1为现有的微波提取器示意图；

图2为中国国防科技大学设计的磁控管微波提取器；

图3为具有6个作用腔的微波提取器的内部结构图；

图4为具有6个作用腔的微波提取器的端面形状示意图；

图5为具有8个作用腔的微波提取器的端面形状示意图；

图6为图5中的A-A向剖视图；

图7为图5中的B-B向剖视图；

图8为具有8个作用腔的微波提取器的立体图；

图9为输入功率与微波输出功率波形图；

图10为圆波导输出口的矢量场分布示意图。

标号说明：1-内导体，2-第二作用腔，3-第一作用腔，4-外导体，5-扇形体。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图3-10，一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，包括中空的圆柱形的同轴波导体；同轴波导体包括内导体1和外导体4；内导体为圆柱形，位于同轴波导体底部的轴心位置；外导体与同轴波导体的外壳相连；且外导体的具有一个锥形的且锥口朝上(或称为朝外)凹陷部；

其特征在于，外导体上设有2*n个周向等分布置的作用腔；n≥3，n为自然数；

其中一对相对的作用腔的最大径向尺寸大于其余的n-1对作用腔的最大径向尺寸，所述的一对相对的作用腔记为第一作用腔3，所述的其余的n-1对作用腔记为第二作用腔2。第一作用腔又称为长作用腔，第二作用腔又称为短作用腔。

n-1对第二作用腔的形状和尺寸相同。

n＝3或4，即具有6或9个作用腔。

所述的第一作用腔的底部且位于同轴波导体的外壳内壁的位置各设有一个扇形体5。

作用腔与内导体之间有间隙。

扇形体的长度Lt与内导体长度Lin呈整数倍关系，即Lt＝N*Lin，N＝1，2，3，…，扇形体的高度Ht与磁控管的1/4倍工作波长λ呈整数倍关系，即Ht＝N*1/4*λ，N＝1，2，3，...。

图3为本发明的磁控管同轴高斯模式微波提取器，包括同轴波导体，包含：内导体、外导体和角向方向的作用腔构成。同轴波导体为金属材料。同轴波导体的内导体与磁控管的发射极共轴连接，内导体半径Rin≥磁控管发射极半径。磁控管与本发明的连接方式为同轴对接，直接连接在本发明的底部(或称后端)，即含有内导体的一侧。发射极属于磁控管的一部分，在磁控管的内部，因不属于本发明内容，因此没有画出。内导体长度Lin等于磁控管的1/4倍工作波长λ，即L＝1/4*λ。外导体与磁控管的高频互作用腔共轴连接。外导体的半径Rout在轴线方向上逐渐增大，最小半径与磁控管的阳极半径相同，最大半径等于所连接的圆波导半径Ro。角向方向的作用腔数目与磁控管高频互作用腔数目相同，角向方向直线相对的作用腔结构参数相同，所有作用腔半径Rc大于磁控管高频互作用腔的半径，作用腔深度Do是1/2倍的磁控管高频互作用腔深度D的整数倍，即Do＝N*1/2*D，N＝1，2，3，…。

对于磁控管来说，不同的高频互作用腔数量只是决定了其工作频率，对输出模式无影响，影响最终输出微波模式的只有本发明提出的模式提取器。通过设置不同尺寸作用腔的结构可让两个长的扇形作用腔各自左右两边的短扇形作用腔空间场形状向长扇形作用腔汇聚，各自在其径向空间内形成半个高斯场型，再通过一定长度的轴向渐变对称叠加，最终在输出口上形成高斯模式场型。此即本发明的工作原理。

当角向方向一对直线相对的作用腔腔半径Rd与圆波导半径Ro相同并且内部插有扇形体时，可保证高斯模式微波的高效率提取。

微波拥有波峰、波谷和波节，这是微波的基本特性，并且波峰、波谷和波节都是波长的N*1/4倍相关。要得到空间场的有效叠加、削弱或充分抵消，在波峰、波谷和波节处是效率最高的，因此上述参数需要特别设置如下：

扇形体的长度Lt与内导体长度Lin呈整数倍关系，即Lt＝N*Lin，N＝1，2，3，…，扇形体的高度Ht与磁控管的1/4倍工作波长λ呈整数倍关系，即Ht＝N*1/4*λ，N＝1，2，3，…，扇形体的角度与作用腔角度相同，插入位置在作用腔的底部。

图9和图10为使用本发明的同轴高斯模式微波提取器后，磁控管工作情况。在电功率2.0*10⁸瓦的条件下，提取出的微波功率可达1*10⁸瓦，圆波导输出口的矢量场呈高斯分布。

本发明前述的具体实施方式不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，特别是作用腔数的修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁控管同轴高斯模式微波提取器，包括中空的圆柱形的同轴波导体；同轴波导体包括内导体(1)和外导体(4)；内导体为圆柱形，位于同轴波导体底部的轴心位置；外导体与同轴波导体的外壳相连；且外导体的具有一个锥形的且锥口朝上(或称为朝外)凹陷部；

其特征在于，外导体上设有2*n个周向等分布置的作用腔；n≥3，n为自然数；其中一对相对的作用腔的最大径向尺寸大于其余的n-1对作用腔的最大径向尺寸，所述的一对相对的作用腔记为第一作用腔(3)，所述的其余的n-1对作用腔记为第二作用腔(2)；

所述的第一作用腔的底部且位于同轴波导体的外壳内壁的位置各设有一个扇形体(5)；

扇形体的长度Lt与内导体长度Lin呈整数倍关系，即Lt＝N*Lin，N＝1，2，3，...，扇形体的高度Ht与磁控管的1/4倍工作波长λ呈整数倍关系，即Ht＝N*1/4*λ，N＝1，2，3，...。

2.根据权利要求1所述的磁控管同轴高斯模式微波提取器，其特征在于，n-1对第二作用腔的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的磁控管同轴高斯模式微波提取器，其特征在于，n＝3或4。

4.根据权利要求1所述的磁控管同轴高斯模式微波提取器，其特征在于，作用腔与内导体之间有间隙。

Images