CN110098097A - 一种基于行波管的微波和x光通信双模器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于行波管的微波和X光通信双模器件，所述双模器件由产生具有层流性电子注的电子枪，微波信号输入窗，微波信号和电子注相互作用的慢波线结构，在慢波线中约束电子发散的磁聚焦系统，放大的微波信号输出窗，电子的多级收集极，制作在收集极最后一级上的重金属靶和X光输出窗组成；所述电子枪设置在慢波线结构的前端，所述慢波线结构的前段设置有输入窗，其外部设置有磁聚焦系统，所述慢波线结构的后段设置有输出窗，所述收集极上设置有重金属靶和X光输出窗，该方案利用传统行波管的工作原理，将行波管收集极制作成产生X光的靶电极，使其具有通信用行波管微波信号放大功能的同时，具备电子轰击下产生调制的X光，实现双模功能。

Description

一种基于行波管的微波和X光通信双模器件

技术领域

本发明涉及一种基于行波管的微波和X光通信双模器件，特别是用于利用微波和X光进行通信的空天飞行器中的通信电子系统，属于电真空器件领域。

背景技术

行波管是一种真空电子器件，是雷达系统、通讯系统、电子对抗系统、成像系统等系统的核心器件。行波管具有频率高、功率大、带宽宽、效率高、耐辐射等优秀特点，在卫星、空间飞船、战略导弹等空天飞行器系统中，行波管作为通信信号放大器得到广泛应用。

但是当空天飞行器以很高的速度穿越大气层时，在一定高度区域，高速的飞行器表面与大气层相互作用，形成等离子鞘，由于等离子鞘对通信电磁波的屏蔽效应，使得飞行器与地面的通信联络会中断，形成黑障。这个中断联络的区域就是黑障区，黑障区一般出现在地球上空35到80千米的大气层间。黑障现象给飞行器的实时通信、再入测量造成困难。

采用X光通信，是解决通信的黑障问题的一个有效手段，X光可以穿透高速飞行器与大气层作用所形成的等离子鞘，并且在空间环境中可以远距离传输。因此如果将通信的信息调制到X光中进行传输，经过探测器的探测、解调，就能够克服黑障的影响，实现黑障区的通信。

因此要利用X光通信解决黑障区的通信问题，首先要解决X光的产生和信号的调制问题。通信用的X光一般由真空X射线管产生，就是利用一定强度的电子注，经过高压加速后，轰击到重金属制作而成的靶材料上，产生X光。如果电子注的强度受到调制的话，相应的X光的强度也将受到调制。因此如何产生X光并进行调制是X光通信的核心问题。

发明内容

本发明正是针对现有空天飞行器在黑障区通信存在的问题，提供一种兼容传统微波通信和X光通信的基于行波管的双模器件，解决黑障区的通信问题，该方案利用传统行波管的工作原理，将行波管收集极制作成产生X光的靶电极，使其具有通信用行波管微波信号放大功能的同时，具备电子轰击下产生调制的X光，实现双模功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，所述双模器件由产生具有层流性电子注的电子枪，微波信号输入窗，微波信号和电子注相互作用的慢波线结构，在慢波线上约束电子发散的磁聚焦系统，放大的微波信号输出窗，电子的多级收集极，制作在收集极最后一级上的重金属靶和X光输出窗组成；所述电子枪设置在慢波线结构的前端，所述慢波线结构的前段设置有输入窗，后段设置有输出窗，慢波线结构外部设置磁聚焦系统，所述收集极上设置有重金属靶和X光输出窗。本发明所设计基于行波管的微波和X光通信双模器件，通过多级降压收集极电压切换，实现常规行波管的微波发射功能和X光通信的X光发射功能的切换，实现双模工作。该方案将行波管的收集极末端，制作电子轰击产生X光的与电子注有一定倾角的重金属靶，并在X光的出射方向的收集极管壳上，制作X光可以通过的光窗。当器件工作在微波模式时，收集极上施加行波管正常的工作电压，一般是比管壳电压低的一组降压收集极电压；当器件工作在X光通信模式时，将收集极的电压进行切换，使电子注最终以需要产生足够能量的X光的高工作电压打在收集极的重金属靶上，产生X光通信的X光信号。

作为本发明的一种改进，通过施加在收集极上电压的切换，实现器件在微波输出模式和X光输出模式的切换或同时输出，当在微波模式下工作时，多级收集极上设置一组比管壳电压低的电压，使电子注以低能量打在各收集极上，降低热损耗；当在X光工作模式下工作时，多级收集极上设置一组比管壳电压高的电压，使收集极转为具有一定会聚电子注的聚焦极的作用，使电子注打在最后一级的收集极的重金属靶上以产生X光，并通过X光输出窗输出X光信号，这是器件同时具有微波信号和X光信号输出的功能。经过频率或幅度调制的微波信号通过微波信号输入窗进入慢波线结构后，微波信号使进入慢波结构的电子注形成群聚，群聚的电子注在慢波结构的后段又与微波信号作用，降低电子注的速度并使微波信号放大，这个放大的微波信号为微波工作模式的放大信号；当电子注离开慢波结构时，电子注因受到调制微波信号的作用而带有微波信号的信息，当其轰击收集极上的重金属靶产生X光并经X光输出窗输出，使产生的X光带有调制的微波信号信息。

作为本发明的一种改进，在X光模式下，通过多级收集极电极上电压的设置使收集极成为聚焦极，形成电子光学透镜，使电子注以会聚模式轰击重金属靶产生X光，提高X光利用效率。

作为本发明的一种改进，在收集极壳体上，制作有X光输出窗，使重金属靶上产生的X光可以通过X光输出窗向管外发射。

作为本发明的一种改进，所述重金属靶的材料设置为钨、钼、铜等重金属材料，形状制作为斜坡型，使电子轰击后产生的X光向X光输出窗方向发射。

作为本发明的一种改进，所述多级收集极和重金属靶，采用液冷或风冷的方式对其进行降温。

作为本发明的一种改进，所述电子枪中电子注的产生由热阴极、冷阴极、光电阴极等产生电子发射的阴极产生，由电子枪实现一定的层流特性。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：本发明所设计基于行波管的微波和X光通信双模器件，通过多级降压收集极电压切换，实现常规行波管的微波发射功能和X光通信的X光发射功能的切换，实现双模工作。通过在黑障区将器件切换到X光通信模式，同时具有微波通信和X光通信的能力，可以解决空天飞行器在黑障区传统微波通信手段无法通信的问题。本发明的结构将行波管微波器件与X光通信器件合二为一，系统结构得到大大简化，降低了空天飞行器载荷的体积、重量和功耗。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2为图1的局部放大图。

图中：1、电子枪；2、微波信号输入窗；3、慢波线结构；4、磁聚焦系统；5、输出窗；6、收集极；7、电子注；8、微波信号；9、重金属靶；10、X射线；11、X光出射窗口；12、聚焦极。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该技术方案。

实施方式1：参见图1、图2，一种基于行波管的微波和X光通信双模器件，其由产生具有层流性电子注的电子枪1、微波信号输入窗2、微波信号8和电子注7相互作用的慢波线结构3、在慢波线外部约束电子发散的磁聚焦系统4、放大的微波信号输出窗5、电子的多级降压收集极6，并在收集极6的最后一级上，设置电子注轰击的钨、钼等重金属材料制作的重金属靶9，在电子注轰击重金属靶后产生X光10的对应出射方向设置铍等材料制作X光的出射窗口11。电子枪中电子注的产生可以是但不局限于由热阴极、冷阴极、光电阴极等产生电子发射的阴极产生，由电子枪实现一定的层流特性。当器件工作在微波通信模式时，器件按照常规行波管电压进行配置，微波信号输出窗产生放大的微波信号8用于微波通信。当器件工作在X光通信模式时，各级收集极的电压切换为比管壳电压高的应用于X光产生的高压，同时各级电压的配置可以形成电子透镜，使电子注不发散并保持一定的注型轰击到重金属靶9上产生X光10。由于经过慢波线结构的电子注是经过微波信号8调制的，因此在轰击到重金属靶9的电子注带有微波信号的信息，使得重金属靶上产生的X光也将带有调制的微波信号信息，相应的X光经过通信传输后，X光信息经探测器探测解调，实现X光通信的作用。这时的微波信号输出窗5仍然有放大的微波信号输出，使器件同时可以应用于微波通信和X光通信。

工作原理：参见图1、图2，该方案中，行波管中电子枪发射出的具有层流特性的电子注7进入慢波线结构3，在慢波线结构的前段，微波信号输入窗2输入的微波信号8与电子注发生相互作用，产生与输入微波信号相对应的电子注的群聚效应，群聚的电子注在慢波线的后段与慢波线中传输的微波信号相互作用，群聚的电子注速度变慢并将群聚电子注的能量传递给微波信号，使微波信号放大并从输出窗5输出供通信、雷达等装备应用。从慢波线中出来带有群聚信息的电子注，进入收集极6的区域，收集极可以由多级组成，采用比管体低的电压使电子注发散打在各级收集极上，打在收集极上的电子注能量基本上以热耗散的模式消耗掉。

该方案中在收集极6的最后一级上，设置电子注轰击的钨、钼等重金属材料制作的重金属靶9，并在电子注轰击重金属靶后产生X光10的对应出射方向设置铍等材料制作的X光出射窗口11。当器件工作在微波通信模式时，器件按照常规行波管电压进行配置，微波信号输出窗5产生放大的微波信号用于微波通信。当器件工作在X光通信模式时，各级收集极的电压切换为比管壳电压高的应用于X光产生的高压，同时收集极前面各级电压的配置可以形成使电子注会聚的电子透镜，这时的收集极同时作为聚焦极12，使电子注不发散并保持一定的束型轰击到重金属靶9上产生X光10。由于经过慢波线结构的电子注是经过微波信号调制的，因此在轰击到重金属靶9的电子注带有微波信号的信息，使得重金属靶上产生的X光也将带有调制的微波信号信息，相应的X光经过通信传输后，X光信息经探测器探测解调，实现X光通信的作用。这时的微波信号输出窗仍然有放大的微波信号输出，使器件同时可以应用于微波通信和X光通信。

本发明中所述的电子枪、磁聚焦系统、慢波线结构等部件作为一种微波器件中的一种功能部件发挥作用，不局限于其特定的结构，如电子枪中的阴极可以是热阴极或冷阴极或光电阴极，可以是平面电子枪结构，也可以是皮尔斯会聚电子枪结构。磁聚焦系统可以是固定磁场机构，也可以是螺旋线的磁聚焦系统等。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，所述双模器件由产生具有层流性电子注的电子枪，微波信号输入窗，微波信号和电子注相互作用的慢波线结构，在慢波线中约束电子发散的磁聚焦系统，放大的微波信号输出窗，电子的多级收集极，制作在收集极最后一级上的重金属靶和X光输出窗组成；所述电子枪设置在慢波线结构的前端，所述慢波线结构的前段设置有输入窗后段设置有输出窗，在慢波线结构外部设置磁聚焦系统，所述收集极最后一级上设置有重金属靶和X光输出窗。

2.根据权利要求1所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，通过施加在收集极上电压的切换，实现器件在微波输出模式和X光输出模式的切换或同时输出，

当在微波模式下工作时，多级收集极上设置一组比管壳电压低的电压，使电子注以低能量打在各收集极上，降低热损耗；当在X光工作模式下工作时，多级收集极上设置一组比管壳电压高的电压，使收集极转为具有一定会聚电子注的聚焦极的作用，使电子注打在最后一级的收集极的重金属靶上以产生X光，并通过X光输出窗输出X光信号，这时器件同时具有微波信号和X光信号输出的功能。

3.根据权利要求2所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，在X光模式下，通过多级收集极电极上电压的设置使收集极成为聚焦极，形成电子光学透镜，使电子注以会聚模式轰击重金属靶产生X光，提高X光利用效率。

4.根据权利要求3所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，在收集极壳体上，设置有X光输出窗，使重金属靶上产生的X光可以通过X光输出窗向管外发射。

5.根据权利要求4所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，所述重金属靶的材料设置为钨、钼、铜等重金属材料，形状制作为斜坡型，使电子轰击后产生的X光向X光输出窗方向发射。

6.根据权利要求4或5所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，所述多级收集极和重金属靶，采用液冷或风冷的方式对其进行降温。

7.根据权利要求6所述的基于行波管的微波和X光通信双模器件，其特征在于，所述电子枪中电子注的产生由热阴极、冷阴极、光电阴极等产生电子发射的阴极产生，由电子枪实现一定的层流特性。