CN111584330A - 一种频率在c、x波段转换的切伦科夫微波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，所述螺线管磁场内设置有阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、C波段慢波结构、漂移段、X波段慢波结构和微波输出口，整个结构相对于中心轴线旋转对称，使两个波段均能实现较高的束‑波作用效率。通过设计漂移段的长度和半径，在与前后两个慢波叶片呈阶梯状分布时，能对两个波段的束‑波作用分别产生具有最优效果的峰值。

Description

一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器
技术领域
本发明涉及微波源领域，具体地说，是涉及一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器。
背景技术
高功率微波是强电磁脉冲的一种，其通常定义是指功率大于100MW、频率介于0.1-100GHz的电磁波，具有高功率和定向辐射等特点，在民用科技及国防军事领域，例如等离子体聚变、高能粒子加速器、超远距离雷达、定向能武器等方面，具有广阔的应用前景。上世纪70年代，伴随着脉冲功率技术、相对论电子学以及等离子体物理的发展，传统电真空器件与强流相对论电子束相结合形成了能够产生高功率微波的相对论电真空器件，即高功率微波源。高功率微波源利用特殊的电磁结构将强流电子束的能量转化为高功率微波的能量，是产生高功率微波系统的核心部件。受民用和军事应用的牵引，高功率微波源技术得到了迅速发展。
实际应用对高功率微波源提出了愈来愈高的要求，其发展趋势体现在：一是单个高功率微波源在一定体积、重量限制条件下追求更高指标，即进一步提高输出微波功率、脉宽以及提高重复运行频率等；二是对多个高功率微波源利用锁频锁相技术进行功率合成，从而得到较高功率输出；三是研制可调谐、可重复稳定运行的小型高功率微波器件。目前切伦科夫器件在上述前两方面被深入研究，并且成为最具应用前景的高功率微波源器件之一，也是高功率微波源器件研究领域的热点，尤其在高功率、长脉宽、高重频等方面具有明显优势，具体表现在：其微波产生机制是利用慢波结构降低电磁波的相速从而使之可与电子束发生切伦科夫相互作用，并且由于一般采用强磁场来约束电子束，使之能散度小、一致性好，因而束波能量转换效率高；通常采用无箔二极管，相比有箔二极管，可避免电子束直接轰击阳极箔产生阳极等离子体，故可避免因阳极等离子体膨胀引起的二极管闭合而导致的微波脉冲缩短问题；此外，无箔二极管结构也有利于器件工作过程中内部真空度的快速恢复，从而可实现重复频率运行。
频率调谐高功率微波源可应用于高功率微波系统中，根据不同作用目标，在线装订微波频率，增强作用效果。此外，频率调谐高功率微波源还可以应用于高功率微波效应研究之中。因此，频率调谐高功率微波源技术在国防和工业领域具有重要的应用价值，成为高功率微波源的重要发展方向之一，高功率微波源的频率调谐方式主要包括电调谐、机械调谐两种方式。电调谐指通过改变外加电压、导引磁场的大小实现工作频率调谐，机械调谐指通过改变器件电动力学结构实现工作频率调谐，目前国内外常见的调谐技术多是基于机械调谐方式实现的。
C波段(4GHz-8GHz)和X波段(8GHz-12GHz)微波在雷达、通信、遥感等方面有着可观的应用前景，成为高功率微波领域新的研究热点。因此，开展频率可在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器研究具有重要的实用价值。
现有调频器件的调节方式复杂，在保持高真空的条件下，往往需要对多个结构参数通常大于2个)进行调节；辐射频率的调节带宽往往很窄，大多为在某一波段内进行微调。
因此，亟需采用新的设计思想，研究一种工作频率调节带宽大、结构参数调节方式简单的跨波段调节高功率微波源技术,因此需要一种能有效解决上述问题的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括螺线管磁场，所述螺线管磁场内设置有阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、C波段慢波结构、漂移段、X波段慢波结构和微波输出口，整个结构相对于中心轴线旋转对称，所述螺线管磁场内设置有C波段慢波结构、漂移段和X波段慢波结构，所述阴极座的出口端与所述阴极的入口端连接，所述阴极的出口端套装设置在所述阳极外筒的进口端，所述阳极外筒的出口端与所述截止颈的进口端连接，所述截止颈的出口端与所述C波段慢波结构的进口端连接，所述C波段慢波结构的出口端与所述漂移段的进口端连接，所述漂移段的出口端与所述X波段慢波结构的进口端连接，所述X波段慢波结构的出口端与所述微波输出口连接。
进一步地，所述阴极502为高硬度石墨阴极或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板阴极。
具体地，所述螺线管磁场采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。
进一步地，所述阴极座左端外接脉冲功率驱动源的内导体。
具体地，阳极外筒左端外接脉冲功率驱动源的外导体。
进一步地，所述阴极为薄壁圆筒状阴极，阴极半径等于电子束的半径。
具体地，所述截止颈呈圆盘状，所述截止颈内半径大于阴极内半径。
进一步地，慢波结构包括经漂移段隔离的第一慢波结构、第二慢波结构两段，由10个慢波叶片组成，第一慢波结构由4个慢波叶片组成，第二慢波结构由6个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，在C波段慢波结构中，除第一慢波叶片的周期长度为2.8cm外，其余慢波叶片的周期长度均为2.6cm，在X波段慢波结构中，除第五、第七慢波叶片的周期长度为1.3cm外，其余慢波叶片的周期长度均为1.2cm；C波段慢波结构工作在C波段，工作频率为4.2GHz，X波段慢波结构工作在X波段，工作频率为8.6GHz。
具体地，C波段慢波结构对应波段的工作磁场为1.30-2.05T，是X波段慢波结构的回旋共振吸收磁场，X波段慢波结构对应波段的工作磁场为0.60-0.75T，是C波段慢波结构的回旋共振吸收磁场。
进一步地，所述漂移段为圆盘状，漂移段与前后两段慢波结构呈阶梯状分布，漂移段内半径比大于C波段慢波结构的内半径，小于X波段慢波结构的外半径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器跨C、X波段跳频的切伦科夫微波发生器，采用经1个漂移段隔离的两段空心慢波结构，分别激励起第一段空心慢波结构TM01模和第二段空心慢波结构TM01模，与电子束发生束-波相互作用，电子束需要经历两次束调制。漂移段降低了不同波段微波之间的相互影响，使两个波段均能实现较高的束-波作用效率。通过设计漂移段的长度和半径，在与前后两个慢波叶片呈阶梯状分布时，能对两个波段的束-波作用分别产生具有最优效果的峰值。
2、本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，共用器件中其余的电磁结构及外加螺线管磁场，只需要改变通过给螺线管磁场电流一个参数，即可改变产生磁场的位形和幅值，实现器件工作状态在C、X波段之间转换。磁场大小对输出微波的工作波段和束-波作用效率存在显著影响：磁场处于1.30-2.05T时，工作在C波段，当大小为1.5T时达到最高束-波作用效率；磁场处于0.60-0.75T时，工作在X波段，当磁场为0.7T时达到最高束-波作用效率,无需复杂的机械调节系统，有利于减小器件的体积和重量，实现器件的轻小型化。
附图说明
图1为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的剖视图；
图2为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的剖视立体示意图；
图3为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的漂移的长度对束波作用效率的影响；
图4为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的漂移的半径对束波作用效率的影响；
图5为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的磁场大小对输出微波束-波作用效率的影响结果示意图。
图6为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的C波段微波随时间的变化趋势；
图7为本发明提供的频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器优选实施例的X波段微波随时间的变化趋势；
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
参见图1和2所示，本发明由两段分别对应不同波段的慢波结构组成，其结构简单，包括阴极座501；阴极502；阳极外筒503；截止颈504；C波段慢波结构505a(工作波长为λ1)；漂移段506；X波段慢波结构505b(工作波长为λ2)；微波输出口507；螺线管磁场508。整个结构关于中心轴线旋转对称。所述螺线管磁场内设置有C波段慢波结构、漂移段和X波段慢波结构，所述阴极座的出口端与所述阴极的入口端连接，所述阴极的出口端套装设置在所述阳极外筒的进口端，所述阳极外筒的出口端与所述截止颈的进口端连接，所述截止颈的出口端与所述C波段慢波结构的进口端连接，所述C波段慢波结构的出口端与所述漂移段的进口端连接，所述漂移段的出口端与所述X波段慢波结构的进口端连接，所述X波段慢波结构的出口端与所述微波输出口连接。
阴极座501、阳极外筒503通常采用无磁不锈钢材料，截止颈504、C波段慢波结构505a、X波段慢波结构505b、漂移段506通常采用无磁不锈钢、无氧铜或钛等材料，阴极502可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料，螺线管磁场508采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。阴极座501左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒503左端外接脉冲功率驱动源的外导体。
阴极是一个薄壁圆筒，套在阴极座的右端，壁厚为0.1cm，阴极半径R1等于电子束的半径。截止颈呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1，为了能分别对束波作用区产生的微波有效地起截止作用，具体尺寸需要根据两个波段的工作波长进行优化设计。慢波结构包括经漂移段隔离的第一慢波结构、第二慢波结构两段，由10个慢波叶片组成，第一慢波结构由4个慢波叶片组成，第二慢波结构由6个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，C波段慢波结构的外半径为R3，内半径为R4，X波段慢波结构的外半径为R5，内半径为R6，满足R3＞R5＞R4＞R6＞R1；在C波段慢波结构中，除第一慢波叶片的周期长度为2.8cm外，其余慢波叶片的周期长度均为2.6cm，在X波段慢波结构中，除第五、第七慢波叶片的周期长度为1.3cm外，其余慢波叶片的周期长度均为1.2cm；C波段慢波结构工作在C波段，工作频率为4.2GHz，X波段慢波结构工作在X波段，工作频率为8.6GHz，两段慢波结构的工作模式均为空心慢波结构TM01模的π模；C波段慢波结构对应波段的工作磁场为1.30-2.05T，是X波段慢波结构的回旋共振吸收磁场，X波段慢波结构对应波段的工作磁场为0.60-0.75T，是C波段慢波结构的回旋共振吸收磁场，由于回旋共振吸现象，改变磁场的大小只能激励起对应波段的高效单频振荡，另一模式无法激励，有效抑制了模式竞争，从而实现了跨波段调频。在两段慢波结构之间设置有1个形状为圆盘状的漂移段，漂移段长度为3.1cm，内半径R7为3.9cm，漂移段与前后两段慢波结构呈阶梯状分布，漂移段内半径比C波段慢波结构的内半径高0.2cm，比X波段慢波结构的外半径低0.2cm，满足R5＞R7＞R4。阴极发射的电子束在经过两段慢波结构后，直接打在外壁上进行收集，距离最后一个慢波叶片4.2cm，距输出端口5cm的位置，从而不必再设计专门的收集结构，整体结构简单。螺线管磁场套在阳极外筒的外壁上，它能够产生用于约束电子束的轴向磁场，而只需改变给它通的电流大小就能改变轴向磁场，无需进行复杂的机械操作。微波输出口的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。
本发明运行时，调节螺线管磁场所通电流的大小：1)使轴向磁场处于1.30-2.05T，由阴极发射的强流相对论电子束在磁场的导引下向两段空心慢波作用区传输，在空心慢波作用区内，电子束与空心TM01模式发生束-波作用，把能量交给微波场，经历两次束调制，磁场处于C波段慢波结构的工作区，X波段慢波结构的回旋共振吸收区，从而抑制了X波段的微波，只能激励起C波段微波的单频震荡，高功率微波经输出波导纯化模式后辐射出去；2)使轴向磁场处于0.60-0.75T，由阴极发射的强流相对论电子束在磁场的导引下向两段空心慢波作用区传输，在空心慢波作用区内，电子束与空心TM01模式发生束-波作用，把能量交给微波场，经历两次束调制，磁场处于C波段慢波结构的回旋共振吸收区，X波段慢波结构的工作区，从而抑制了C波段的微波，只能激励起X波段微波的单频震荡，高功率微波经输出波导纯化模式后辐射出去。
本实施例实现了跨C(中心频率为4.2GHz，对应微波波长λ1＝7.1cm)、X(中心频率为8.6GHz，对应微波波长λ2＝3.5cm)频率可调切伦科夫微波发生器(相应的尺寸设计为：R1＝32mm，R2＝37mm，R3＝47mm，R4＝37mm，R5＝41mm，R6＝36mm，R7＝39mm，R8＝49mm，L1＝26mm，L2＝31mm，L3＝12mm)。
粒子模拟中，在二极管电压676kV、电流7.4kA时，通过调节导引磁场为1.5T，C波段输出微波最高功率1.5GW，束-波作用效率30％；在二极管电压669kV、电流7.5kA时，通过调节导引磁场为0.7T，X波段输出微波最高功率2.1GW，束-波作用效率42％。由上述结果可知，本发明克服了通常频率调谐高功率微波源调节方式复杂(多为两种以上结构参数的机械调节)、调节带宽窄(波段内调节或跨相邻波段的调频)等不足，仅通过改变给螺线管所通电流的大小就能改变轴向磁场，实现跨C、X波段大间隔频率可跳，对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。
参见图3，可知漂移段长度对输出微波束-波作用效率存在影响，漂移段长度为2.8-3.4cm时，C(1.5T磁场下)、X(0.7T磁场下)波段有较高效率的微波输出，且当漂移段长度为3.1cm时，两波段均达到最高束-波作用效率。
参见图4，可知漂移段半径对输出微波束-波作用效率存在影响，漂移段半径为3.7-4.3cm时，C(1.5T磁场下)、X(0.7T磁场下)波段有较高效率的微波输出，且当漂移段半径为3.9cm时，两波段均达到最高束-波作用效率。
参见图5，可知磁场大小对输出微波束-波作用效率存在影响，磁场处于1.30-2.05T时，抑制X波段的微波，只能激励起C波段微波的单频震荡，当磁场为1.5T时达到最高束-波作用效率；磁场处于0.60-0.75T时，抑制C波段的微波，只能激励起X波段微波的单频震荡，当磁场为0.7T时达到最高束-波作用效率。
参见图6，可知激励起C波段的高功率微波振荡，微波8ns起振，30ns后饱和，饱和后微波功率1.5GW。
参见图7，可知激励起X波段的高功率微波振荡，微波12ns起振，30ns后饱和，饱和后微波功率2.1GW。
当然，在本优选实施例中，各部件之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，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。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，包括螺线管磁场，其特征在于，所述螺线管磁场内设置有阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、C波段慢波结构、漂移段、X波段慢波结构和微波输出口，整个结构相对于中心轴线旋转对称，所述螺线管磁场内设置有C波段慢波结构、漂移段和X波段慢波结构，所述阴极座的出口端与所述阴极的入口端连接，所述阴极的出口端套装设置在所述阳极外筒的进口端，所述阳极外筒的出口端与所述截止颈的进口端连接，所述截止颈的出口端与所述C波段慢波结构的进口端连接，所述C波段慢波结构的出口端与所述漂移段的进口端连接，所述漂移段的出口端与所述X波段慢波结构的进口端连接，所述X波段慢波结构的出口端与所述微波输出口连接。
2.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述阴极为高硬度石墨阴极或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板阴极。
3.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述螺线管磁场采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。
4.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述阴极座左端外接脉冲功率驱动源的内导体。
5.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，阳极外筒左端外接脉冲功率驱动源的外导体。
6.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述阴极为薄壁圆筒状阴极，阴极半径等于电子束的半径。
7.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述截止颈呈圆盘状，所述截止颈内半径大于阴极内半径。
8.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，慢波结构包括经漂移段隔离的第一慢波结构、第二慢波结构两段，由10个慢波叶片组成，第一慢波结构由4个慢波叶片组成，第二慢波结构由6个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，在C波段慢波结构中，除第一慢波叶片的周期长度为2.8cm外，其余慢波叶片的周期长度均为2.6cm，在X波段慢波结构中，除第五、第七慢波叶片的周期长度为1.3cm外，其余慢波叶片的周期长度均为1.2cm；C波段慢波结构工作在C波段，工作频率为4.2GHz，X波段慢波结构工作在X波段，工作频率为8.6GHz。
9.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，C波段慢波结构对应波段的工作磁场为1.30-2.05T，是X波段慢波结构的回旋共振吸收磁场，X波段慢波结构对应波段的工作磁场为0.60-0.75T，是C波段慢波结构的回旋共振吸收磁场。
10.根据权利要求1所述一种频率在C、X波段转换的切伦科夫微波发生器，其特征在于，所述漂移段为圆盘状，漂移段与前后两段慢波结构呈阶梯状分布，漂移段内半径比大于C波段慢波结构的内半径，小于X波段慢波结构的外半径。
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