CN110379691B - 一种紧凑型高效率轴向输出te51模式相对论磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向输出结构的紧凑型相对论磁控管，属于高功率微波技术领域。该结构包括10谐振腔旭日型相对论磁控管、作为过渡结构的耦合结构、以及带脊圆波导输出结构。本发明解决了磁控管轴向衍射输出方案面临的高次模式电磁波难以高效率利用的问题，使用带脊圆波导结构将输出能量直接从旭日型相对论磁控管中以TE51模式高效的提取出来，效率可达70％。同时显著减小了全系统的总体积占用，以L波段工作状态为例，圆波导半径由现有方案的250mm减小为130mm，轴向全长由866mm减小为490mm。

Description

一种紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域，特别是涉及一种小型化L波段相对论磁控管，基于轴向带脊圆波导提取方案，输出TE51模式的微波能量，以便于进一步通过圆波导上外壁轴向缝隙阵列向外辐射能量。
背景技术
从实用型高功率微波系统角度出发，高功率微波系统的发展主要集中在四个方面：(1)系统的小型化和紧凑化，提高功耗比；(2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)多频输出。相对论磁控管自诞生以来，一直备受关注，并制定计划对其进行研究，开始阶段主要集中在提高单个相对论磁控管输出特性的研究，包括尽可能获取最大峰值、平均值功率，以及提高效率。
现有的轴向提取高功率磁控管，一般是利用全腔提取技术获得能量输出，然后对整体进行模式变换为其他传播模式的电磁波并加以利用。由于输出能量经历的模式转换环节较多，导致整体效率不高。
中国国防科技大学发明的S波段可调谐轴向输出相对论磁控管以圆波导TE11模式输出能量，脉冲功率530MW，频率范围2.98-3.72GHz，效率最高达到40％。
中国工程物理研究院发明的L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管，使用全腔提取技术得到扇形波导TE11模式能量输出，输出功率1.89GW，频率为1.57GHz，效率为50％。
传统磁控管能量提取采用的是单腔矩形波导TM01模式径向输出或全腔圆波导TE11模式轴向衍射输出，整机系统体积占用过大。受限于L波段电磁波的波长特性，径向输出方案往往需要较大的空间以容纳径向布置的输出波导。而轴向圆波导输出方案产生的TE11模式电磁波难以直接利用，下行链路上仍然要占用很大的轴向空间以布置模式转换结构，同时圆波导提取方案得到的电磁能量需要历经多个模式转换才能得到需要的工作模式。当前的几种高功率微波输出设计方案各有不足，难以满足当今对高功率微波源紧凑化和移动部署的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种轴向输出结构的紧凑型相对论磁控管，解决了磁控管轴向衍射输出方案面临的高次模式电磁波难以高效率利用的问题，使用带脊圆波导结构将输出能量直接从旭日型相对论磁控管中以 TE51模式高效的提取出来，效率可达70％。同时显著减小了全系统的总体积占用，以L波段工作状态为例，圆波导半径由现有方案的250mm减小为130mm，轴向全长由866mm减小为490mm。
本发明所采用的技术方案是：一种紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管，包括相对论磁控管1、耦合结构2、输出结构3。
所述相对论磁控管1为轴向外接耦合结构2的10谐振腔旭日型相对论磁控管，包括阳极外壳11、阳极叶片12、端部13。
所述耦合结构2包括径向扩展外壳21以及其内部的过渡脊22，其外壳21 径向扩展将相对论磁控管1的阳极外壳11过渡到输出结构3的圆波导外壁31，过渡脊22将阳极叶片12过渡到波导脊32。
所述输出结构3包括圆波导外壁31以及角向等间距分布的10条波导脊32。
磁控管振荡器属于一种正交场器件，在正交DC电场和磁场作用下，电子沿 EDC×B0方向做轮摆运动，当其漂移速度与高频电场的相速满足同步条件时，电子和电磁场将高效的交换能量。相对论磁控管在大电流驱动下产生的辐射功率高于非相对论器件两个数量级以上，输出峰值功率达到GW水平。在大电流的情况下，空间电荷引起的自磁场对注波互作用的影响不能忽略，尤其在本发明提出的轴向分段式高频结构中，注波互作用过程中自磁场的影响较大，通过调节相对论磁控管和输出结构的轴向间隔，可减小空间电荷形成的自磁场互相的影响。
本发明有益效果是：(1)在高功率微波源和能量输出结构上采用融合设计理念，通过优化能量提取结构，极大的缩减了整个系统的空间占用，圆波导外壁的半径由传统方案的250mm减小为130mm，轴向全长由866mm减小为490mm，轴向和径向尺寸都压缩了40％以上。(2)本方案使用的紧凑型能量输出链路，以轴向衍射输出的相对论磁控管作为高功率微波源，将磁控管阳极叶片进行轴向扩展过渡，与输出结构内的10条波导脊连接，从而在被10条波导脊分隔出的10个扇区中获得规则的TE51模式场分布，微波能量可以方便的进行提取。本方案比背景技术中的全腔提取方案减少一个模式转换环节，显著提高了相对论磁控管的整体效率，仿真结果显示全系统整体效率超过70％。
附图说明
图1为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的整体结构示意图；
图2为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的整体结构剖面图；
图3为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的腔体结构示意图；
图4为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的整体结构剖面图；
图5为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的相对论磁控管1横截面图；
图6为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的过渡结构2 横截面图；
图7为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的输出结构3 横截面图；
图8为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的输出信号功率图；
图9为紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管实施例的输出信号频谱图。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明进行进一步说明。
紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管如图所示，由相对论磁控管1、耦合结构2、输出结构3组成。相对论磁控管1轴向外接耦合结构2，耦合结构 2轴向外接输出结构3。
所述相对论磁控管1为10谐振腔旭日型相对论磁控管，由阳极外壳11、阳极叶片12、端部13组成。如图5所示，阳极叶片12内径Ra＝31.8mm，小谐振腔半径Rv1＝64mm，大谐振腔半径Rv2＝82.6mm，每一个谐振腔的张角θ1＝20°，每一片阳极叶片12的张角θ2＝40°。
所述耦合结构2由外壳21和过渡脊22组成。其外壳21径向扩展将相对论磁控管1的阳极外壳11线性过渡到输出结构3的圆波导外壁31，过渡脊22将阳极叶片12线性过渡到波导脊32。
所述输出结构3由圆波导外壁31和波导脊32组成。如图7所示，圆波导外壁31的内半径Rwg＝130mm，波导脊32半径Rridge＝51mm，每一个谐振腔的张角θ1＝20°，每一条波导脊32的张角θ2＝40°。
按照以上设计方案模拟实现了工作频率为1.30GHz的紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管(相应设计尺寸为：相对论磁控管：Ra＝31.8mm，Rv1＝64mm， Rv2＝82.6mm，θ1＝20°，θ2＝40°；输出结构：Rwg＝130mm，Rridge＝51mm，θ1＝20°，θ2＝40°)。从仿真图8-9上看出，在工作电压为750kV，轴向磁场为0.59T的条件下，微波输出功率为1.15GW，输出频率为1.36GHz，功率转换效率为49.7％，微波起振时间为26.5ns。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种紧凑型高效率轴向输出TE51模式相对论磁控管，包括相对论磁控管(1)、耦合结构(2)、输出结构(3)；
所述相对论磁控管(1)为轴向外接耦合结构(2)的10谐振腔旭日型相对论磁控管，包括阳极外壳(11)、阳极叶片(12)、端部(13)；
所述耦合结构(2)包括径向扩展外壳(21)以及其内部的过渡脊(22)，其外壳(21)径向扩展将相对论磁控管(1)的阳极外壳(11)线性过渡到输出结构(3)的圆波导外壁(31)，过渡脊(22)将阳极叶片(12)线性过渡到波导脊(32)；
所述输出结构(3)包括圆波导外壁(31)以及角向等间距分布的10条波导脊(32)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111524770B (zh) * 2020-04-23 2021-07-06 电子科技大学 一种具有全向辐射能力的相对论磁控管输出结构
CN113488363B (zh) * 2021-07-06 2022-05-03 电子科技大学 一种te11模式输出的相对论磁控管
CN114464515B (zh) * 2021-11-18 2023-04-18 电子科技大学 一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构
CN114783848B (zh) * 2022-03-10 2023-06-02 电子科技大学 基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100583367C (zh) * 2008-04-28 2010-01-20 电子科技大学 直接脊波导输出倍频程大功率螺旋线行波管
CN103280391B (zh) * 2013-05-23 2015-08-05 中国人民解放军国防科学技术大学 频率可调谐轴向输出相对论磁控管
US10192709B2 (en) * 2014-06-17 2019-01-29 Stc.Unm Relativistic magnetron using a virtual cathode
CN104183445B (zh) * 2014-09-05 2016-08-24 中国人民解放军国防科学技术大学 一种具有te10输出模式的紧凑型相对论磁控管

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