CN111883405B - 一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器 - Google Patents

一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器 Download PDF

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Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，包括阴极座201、阴极202、阳极外筒203、内导体204、注入腔205、第一反射腔206、第一群聚腔207、第二反射腔208、第二群聚腔209、第三反射腔210、提取腔211、锥波导212、反馈环213、电子束收集极214、支撑杆215、微波输出口216、螺线管磁场217和注入波导218，整体结构关于中心轴线旋转对称。本发明通过对器件电磁结构的合理设计，克服了现有三轴相对论速调管放大器中侧向双端口注入结构复杂、非旋转对称模式自激振荡难以从物理机理上完全抑制等缺点，且具有良好的锁频锁相特性，对于高功率微波空间相干功率合成所需的类似速调管放大器设计具有重要的借鉴意义。

Description

一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器(Triaxial Relativistic Klystron Amplifier,TRKA)。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave,HPM)通常是指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波。高功率微波源是高功率微波系统的核心部件，它通过器件内部特殊的电磁结构将强流相对论电子束的能量转化为微波能量，进而通过发射天线产生定向的高功率微波辐射。追求高的输出微波功率是高功率微波技术领域的主要发展方向，但是随着输出微波功率的增加，高功率微波源内的射频场强显著升高，容易引起射频击穿、脉冲缩短等物理瓶颈问题。尽管通过采用过模结构、金属表面处理工艺、硬管化技术等能够在一定程度上提高高功率微波源的功率容量，但是这些措施对微波功率的提升幅度非常有限。为实现数十GW甚至是上百GW的HPM输出，研究人员提出了利用多个具有锁频锁相特性的高功率微波源进行空间相干功率合成的技术路线。通过相干功率合成，N个具有锁频锁相特性的HPM源能够在远场产生N2倍的等效微波能量输出。相干功率合成路线能够通过增加HPM源的数量弥补单个HPM源输出功率的不足，因此这一技术路线并不要求参与合成的单个HPM源输出功率非常高，这样既能够避免单个器件出现射频击穿等物理问题，又能够显著提升整个系统的等效辐射功率，因而成为目前高功率微波技术的重要发展方向之一。
三轴相对论速调管放大器(Triaxial Relativistic Klystron Amplifier,TRKA)是一种基于电子束分布调制的高功率微波源器件，其利用相互独立的同轴谐振腔结构实现电子束的调制、能量转换和微波提取，具有锁频锁相特性，为高频段(X及以上波段)、高功率、锁频锁相微波源器件的研究提供了一种有效的技术途径，得到了高功率微波技术领域的广泛关注。然而，TRKA的进一步发展受限于一些固有的物理问题，主要表现在以下三个方面：
1.同轴结构中的TEM模无法截止，相邻同轴谐振腔间的TEM模式能量泄露将会干扰甚至破坏正常的束波相互作用；
2.根据TRKA的工作原理，同轴漂移管仅能截止器件的工作模式(TM01模)，然而低阶的非旋转对称TE模式仍能够在漂移管中传播。TE模式的能量耦合将会导致非旋转对称模自激振荡，最终导致器件输出脉冲缩短甚至完全无法工作；
3.为实现单管GW级的HPM输出，TRKA的电子束中心半径随工作频率的升高而显著增大。随着电子束中心半径的增大，非旋转对称杂模的数量将会急剧增多；同时非旋转对称模的模式隔离度会显著缩小，因此非旋转对称杂模的抑制会更加困难。
TRKA目前已在X波段实现了GW级的HPM输出，主要采用同轴反射腔来抑制TEM模能量泄露及非旋转对称TE模式自激振荡，典型结果为国防科技大学巨金川博士等人提出的一种改进型X波段三轴相对论速调管放大器【对比文件1：Jinchuan Ju,Jun Zhang,Ting Shu,and Huihuang Zhong,An improved X-band triaxial klystron amplifier forgigawatt long-pulse high-power microwave generation,IEEE Transactions onElectron Device Letters,2017,38,270-272】。该结构主要由阴极座、阴极、阳极外筒、内导体、注入腔、反射腔、群聚腔、提取腔、电子束收集极、反馈环、支撑杆、微波输出口、螺线管磁场、注入波导组成，整体结构关于中心轴线(即OZ轴)旋转对称；沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。阴极座左端连接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端连接脉冲功率源的外导体；阴极是一个薄壁圆筒，厚度约为1mm，外半径R1等于电子束的半径，套在阴极座右端；内导体是一个半径为R2的圆柱体，外侧挖有圆环凹槽，通过其右端的外螺纹与收集极连接；注入腔105是一个“7”字型的同轴谐振腔，其轴向长度L1约为工作波长λ的1.25倍，注入腔间隙处的电场为同轴TM011模式；群聚腔中含有两组膜片，呈同轴三间隙圆环结构，工作模式为同轴TM013模式；群聚腔左端挖有圆环状的同轴反射腔106，用来抑制注入腔和群聚腔间TEM模的能量泄露和非旋转对称TE模式的自激振荡；提取腔中含有一组膜片，呈同轴双间隙圆环结构，工作模式为同轴TM012模式；提取腔左端挖有圆环状的同轴反射腔108，用来抑制群聚腔和提取腔间TEM模的能量泄露和非旋转对称TE模式的自激振荡；电子束收集极为圆筒状，在左端挖有楔形凹槽；反馈环是嵌在电子束收集极外壁上的一个金属圆环，用来调节提取腔的谐振频率和Q值；支撑杆共有两排，两排支撑杆之间的距离L9约为工作波长λ四分之一的奇数倍；螺线管磁场由两段组成，通过设计电流大小和绕线匝数确定磁场位型和强度；方形波导116通过两段磁场的间隙将外注入微波信号馈入到注入腔205中。该器件运行时，阴极产生的环形电子束在磁场导引下向右传输，首先在注入腔中受到外注入微波信号的调制；电子束的调制在群聚腔中得到加强；被调制的电子束在提取腔中将其动能转换为微波能量，产生的微波从微波输出口输出。实验中，在二极管电压580kV、电流6.9kA、注入微波60kW、导引磁场0.8T的条件下，该器件能够实现1.1GW的微波输出，对应频率为9.375GHz、增益为42.6dB，效率为27％，脉冲宽度为105ns，输出微波的相位抖动被锁定在约10°范围内。该技术方案验证了三轴相对论速调管放大器在高频段实现GW级锁相高功率微波输出的可行性，对于高增益相对论速调管放大器的设计具有重要的借鉴意义，但是该技术方案存在以下不足：(1)单个三间隙群聚腔对强流电子束的调制能力有限，电子束调制深度仅为102％，因此提取腔无法高效地将电子束的能量转换为微波的能量，致使器件的效率相对较低；(2)为了提高电子束的调制深度，注入微波信号所需的功率较高，导致器件的增益相对偏低；(3)注入腔采用双端口微波注入结构，容易产生两个端口的注入微波幅度和相位不一致，进而影响注入腔间隙电场的角向均匀性，激励起非旋转对称杂模；(4)器件的输出微波脉冲宽度仅有105ns，这主要是因为该结构采用同轴模式反射器来抑制非旋转对称TE模式的自激振荡，而模式反射器仅能实现少数几个非旋转对称TE模式的高效率抑制；实验中，105ns后未被高效率抑制的非旋转对称TE模式逐渐起振，最终导致器件的输出微波脉冲宽度难以提高；因此，为进一步提高TRKA的输出微波脉冲宽度，必须从源头上，即从非旋转对称TE模式的起振机理上实现TE模式自激振荡的抑制。
西北核技术研究所戚祖敏博士等人研究了非旋转对称杂模导致一种X波段三轴相对论速调管放大器输出微波脉冲缩短的机理【对比文件2：Zumin Qi，Jun Zhang,YongjieXie,Yi Zhang,Zehua Wang,Xiaofeng Zhou,Jianhui Zhu,Yanyong Zi,and HuihuangZhong.Analysis on the mechanism of pulse-shortening in an X-band triaxialklystron amplifier due to the asymmetric mode competition[J].Physics ofPlasmas,2016,23(12):123103】。文章指出，理想情况下TRKA中起振的非旋转对称TE模式来源于调制腔中的本征TM模式，这些TM模式从调制腔向漂移管中泄露时转换为对应的TE模式并通过腔体之间的能量耦合而逐渐放大，最终破坏器件的稳定工作状态；因此，要彻底抑制非旋转对称TE模式的自激振荡，必须要控制调制腔中的本征TM模式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，从非旋转对称TE模式的起振机理上实现TE模式自激振荡的抑制。
本发明采用的技术方案是：
一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，包括阴极座201、阴极202、阳极外筒203、内导体204、注入腔205、第一反射腔206、第一群聚腔207、第二反射腔208、第二群聚腔209、第三反射腔210、提取腔211、锥波导212、反馈环213、电子束收集极214、支撑杆215、微波输出口216、螺线管磁场217、注入波导218；其中，注入腔205由注入腔内筒205a和注入腔外筒205b组成，第一反射腔206由第一反射腔内筒206a和第一反射腔外筒206b组成，第一群聚腔207由第一群聚腔内筒207a和第一群聚腔外筒207b组成，第二反射腔208由第二反射腔内筒208a和第二反射腔外筒208b组成，第二群聚腔209由第二群聚腔内筒209a和第二群聚腔外筒209b组成，第三反射腔210由第三反射腔内筒210a和第三反射腔外筒210b组成，提取腔211由提取腔内筒211a和提取腔外筒211b组成，支撑杆215由左侧支撑杆215a和右侧支撑杆215b组成，螺线管磁场217由左侧螺线管磁场217a和右侧螺线管磁场217b组成；所述能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的整体结构关于中心轴线(即OZ轴)旋转对称。
所述阴极座201左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒203左端外接脉冲功率源的外导体；所述阴极202是一个薄壁圆筒，套在所述阴极座201右端，所述阴极202壁厚为1mm-2mm，外半径R1等于电子束的半径，电子束半径的尺寸由器件的阻抗和功率容量优化决定；所述阳极外筒203由两段内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成，且满足R1<R3<R2；所述内导体204是一个半径为R4、长度为L1的圆柱体，其左侧端面与阳极外筒203半径为R3的一段圆柱筒的左侧端面平齐，满足R4<R1；在所述内导体204上距离其左侧端面L2处，开设有一个内半径为R5、宽度为L3的所述注入腔内筒205a，满足R5<R4，L3的取值约为波长的四分之一；在与所述注入腔内筒205a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R6、内半径为R7、宽度为L4的所述注入腔外筒205b，L4的取值约为工作波长λ的0.75倍，且L4<L2；所述注入腔外筒205b在正对所述注入腔内筒205a处设置有宽度为L3的开口，满足L3<L4；所述注入腔内筒205a和所述注入腔外筒205b共同组成所述注入腔205；在所述内导体204上距离所述注入腔205右侧端面L5处开设有内半径为R8、宽度为L6的所述第一反射腔内筒206a，L5约为工作波长λ的4-5倍，L6的取值约为工作波长λ的五分之二；在与所述第一反射腔内筒206a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有一个外半径为R9、宽度为L6的所述第一反射腔外筒206b；所述第一反射腔内筒206a和所述第一反射腔外筒206b共同组成所述第一反射腔206；在所述内导体204上距离所述第一反射腔206右侧端面L7处开设有内半径为R10、宽度为L8的所述第一群聚腔内筒207a，L7的取值约为工作波长λ的六分之一，L8的取值约为工作波长λ的四分之一；在与所述第一群聚腔内筒207a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R11、宽度为L8的所述第一群聚腔外筒207b；所述第一群聚腔内筒207a和所述第一群聚腔外筒207b共同组成所述第一群聚腔207；所述第一反射腔206及所述第一群聚腔207满足R8<R10<R4，R3<R11<R9；在所述内导体204上距离所述第一群聚腔207右侧端面L9处开设有内半径为R12、宽度为L10的所述第二反射腔内筒208a，L9约为工作波长λ的2-3倍，L10约为工作波长λ的四分之一；在与所述第二反射腔内筒208a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R13、宽度为L10的所述第二反射腔外筒208b；所述第二反射腔内筒208a和所述第二反射腔外筒208b共同组成所述第二反射腔208；在所述内导体204上距离所述第二反射腔208右侧端面L11处开设有内半径为R14、宽度为L12的所述第二群聚腔内筒209a，L11的取值约为工作波长λ的六分之一，L12的取值约为工作波长的四分之一；在与所述第二群聚腔内筒209a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R15、宽度为L12的所述第二群聚腔外筒209b；所述第二群聚腔内筒209a和所述第二群聚腔外筒209b共同组成所述第二群聚腔209；所述第二反射腔208及所述第二群聚腔209满足R12<R14<R4，R3<R15<R13；在所述内导体204上距离第二群聚腔209右侧端面L13处开设有内半径为R16、宽度为L14的所述第三反射腔内筒210a，L13约为工作波长λ的2-2.5倍，L14的取值约为工作波长λ的四分之一；在与所述第三反射腔内筒210a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R17、宽L14的所述第三反射腔外筒210b；所述第三反射腔内筒210a和所述第三反射腔外筒210b共同组成所述第三反射腔210；在所述内导体204上距离所述第三反射腔210右侧端面L15处开设有内半径为R18、宽度为L16的所述提取腔内筒211a，L16的取值约为工作波长λ的四分之一；在与所述提取腔内筒211a相对的所述阳极外筒203内壁上同样开设有外半径为R19、宽度为L16的所述提取腔外筒211b；所述提取腔内筒211a和所述提取腔外筒211b共同组成所述提取腔211；所述第三反射腔210及所述提取腔211满足R16<R18<R4，R3<R19<R17；
所述第一群聚腔207工作于同轴TM011模式，外观品质因素为760，用于对电子束进行初步调制；所述第二群聚腔209的工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为850，用于对电子束进行二次调制，进一步提高电子束调制深度；所述提取腔211的工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为50，用于束波能量转换；所述第一反射腔206用于抑制所述第一群聚腔207中的TEM模式向所述注入腔205的泄露；所述第二反射腔208用于抑制所述第二群聚腔209中的TEM模式向所述第一群聚腔207的泄露；所述第三反射腔210用于抑制所述提取腔211中的TEM模式向所述第二群聚腔209的泄露；
所述电子束收集极214为一段长度为L17、半径为R20的圆柱体，L17约为工作波长λ的3-5倍，且R20>R3；所述电子束收集极214左侧端面半径为R21处挖有楔形凹槽214a，所述楔形凹槽214a的下底宽度为L18、内半径为R21、高度为H1、右侧斜面与水平方向的倾斜角为θ1，L18为工作波长λ的1-2倍，H1小于所述阳极外筒203内半径R3与所述内导体204外半径R4的差值(即：R3-R4)，θ1取值为15°-30°，满足R4<R21<R3；在距离所述电子束收集极214左侧端面L19处，所述阳极外筒203的内壁以与水平方向成夹角θ2向外倾斜，L19的取值约为工作波长λ的四分之一，θ2取值为10°-30°；所述倾斜段与所述电子束收集极214之间的锥形空间组成所述锥波导212，所述锥波导212右侧端面与所述电子束收集极214左侧端面的水平距离为L20，L20约为工作波长λ；在距离所述电子束收集极214左侧端面L20处，设置有外半径为R22、宽度为L21的所述反馈环213，满足R20<R22<R23；所述反馈环213用于调整所述提取腔211的谐振频率和Q值；所述锥波导212往右的所述阳极外筒203与所述电子束收集极214之间的圆环形空间组成所述微波输出口216；
所述电子束收集极214通过所述左侧支撑杆215a和所述右侧支撑杆215b固定在阳极外筒203的内壁上，所述右侧撑杆215b与所述左侧支撑杆215a之间的距离为工作波长λ四分之一的奇数倍；
所述螺线管磁场217由所述左侧螺线管磁场217a和所述右侧螺线管磁场217b两段组成，套在所述阳极外筒203的外侧，采用玻璃丝包铜线或聚酰亚胺薄膜包铜线绕制而成，通过改变通过螺线管磁场线圈的电流大小进而改变螺线管产生的磁场强度，实现对电子束的传输导引；
所述注入波导218为BJ120标准方形波导，通过所述左侧螺线管磁场217a和所述右侧螺线管磁场217b之间的间隙与所述注入腔外筒205b相连接，将外注入微波信号引入至所述注入腔205中，实现电子束的预调制。
本发明的工作原理是：所述阴极202在外接脉冲功率源的驱动下产生强流电子束；电子束在所述螺线管217的导引下依次经过所述注入腔205、所述第一群聚腔207、所述第二群聚腔209、所述提取腔211，最终被所述电子束收集极214的楔形凹槽收集；所述注入波导218将外注入微波信号引入到所述注入腔205中，在所述注入腔205的间隙处激励起同轴TM011模式，对经过的电子束进行初步的速度调制；电子束的速度调制被工作在TM011模式的所述第一群聚腔207和工作在TM011模式的所述第二群聚腔209加深，实现大于120％的电子束调制深度；被调制好的电子束在所述提取腔211中将其能量转给TM011模式的微波场，激励起高功率微波，然后通过所述微波输出口216向外输出；在所述第一群聚腔207、所述第二群聚腔209、所述提取腔211左端分别设置所述第一反射腔206、第二反射腔208和第三反射腔210以抑制TEM模式的能量泄露。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：
(1)本发明提供的能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，采用级联式的双群聚腔结构，能够有效克服强流电子束的空间电荷力，在外注入微波功率较低(10kW)的条件下实现电子束的深度调制。通过优化两个群聚腔的谐振频率和Q值，可以将3.9kA的强流电子束的调制深度提升至120％以上，有利于提高器件的增益和效率。
(2)本发明提供的能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，采用了四组单间隙波束相互作用谐振腔，而单间隙谐振腔中的非旋转对称杂模在工作电压附近不满足起振条件，本发明提供的能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器从物理根源上有利于非旋转对称杂模自激振荡的抑制，与现有技术相比，更有利于器件的长脉冲运行和输出微波相位锁定。
附图说明
图1为背景介绍中现有技术公开的X波段三轴相对论速调管放大器结构示意图；
图2为本发明提供的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的结构示意图；
图3为图2中左侧虚线区域的局部放大图；
图4为图2中右侧虚线区域的局部放大图；
图5为本发明提供的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器优选实施例的三维结构图。
附图标号说明：
101-现有技术公开的X波段三轴相对论速调管放大器(以下简称为现有技术)阴极座，102-现有技术阴极，103-现有技术阳极外筒，104-现有技术内导体，105-现有技术注入腔，106现有技术第一反射腔，107-现有技术群聚腔，108-现有技术第二反射腔，109-现有技术提取腔，110-现有技术锥波导，111-现有技术反馈环，112-现有技术电子束收集极，113-现有技术支撑杆，114-现有技术微波输出口，115-现有技术螺线管磁场，116-现有技术注入波导；
201-本发明一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的阴极座，202-阴极，203-阳极外筒，204-内导体，205-注入腔，205a-注入腔内筒，205b-注入腔外筒，206-第一反射腔，206a-第一反射腔内筒，206b-第一反射腔外筒，207-第一群聚腔，207a-第一群聚腔内筒，207b-第一群聚腔外筒，208-第二反射腔，208a-第二反射腔内筒，208b-第二反射腔外筒，209-第二群聚腔，209a-第二群聚腔内筒，209b-第二群聚腔外筒，210-第三反射腔，210a-第三反射腔内筒，210b-第三反射腔外筒，211-提取腔，211a-提取腔内筒，211b-提取腔外筒，212-锥波导，213-反馈环，214-电子束收集极，214a-电子束收集极左侧楔形凹槽，215-支撑杆，215a-左侧支撑杆，215b-右侧支撑杆，216-微波输出口，217-螺线管磁场，217a-左侧螺线管磁场，217b-右侧螺线管磁场，218-注入波导。
具体实施方式
构成本申请的附图用来提供对本发明的进一步解释，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为背景介绍部分中提到的现有技术公开的X波段三轴相对论速调管放大器结构示意图；该结构包括阴极座101、阴极102、阳极外筒103、内导体104、注入腔105、第一反射腔106、群聚腔107、第二反射腔108、提取腔109、锥波导110、反馈环111、电子束收集极112、支撑杆113、微波输出口114、螺线管磁场115、注入波导116，整体结构关于中心轴线(即OZ轴)旋转对称；所述阴极座101的左端连接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒103的左端连接脉冲功率源的外导体；所述阴极102是一个厚度约为1mm的薄壁圆筒，其外半径R1等于电子束的半径，套在所述阴极座101的右端；所述内导体104是一个半径为R2的圆柱体，通过其右端的外螺纹与所述电子束收集极112相连接；所述注入腔105是一个“7”字型的同轴谐振腔，腔体外半径为R4、内半径为R5，满足R3<R4，R5<R2，其轴向长度L1为工作波长λ的1.25倍，间隙宽度L2为工作波长λ的四分之一；所述第一反射腔106为圆环状，内半径为R6、外半径为R7、长度为L4，其中L4为工作波长λ的四分之一；所述群聚腔107中含有两组膜片，呈同轴三间隙圆环结构，内外半径分别为R8和R9，间隙宽度为L5；所述第二反射腔108为圆环状，内半径为R10、外半径为R11、长度为L7，其中L7为工作波长λ的四分之一；所述提取腔109中含有一组膜片，呈同轴双间隙圆环结构，间隙宽度为L8；所述电子束收集极112为圆筒状，在其左端面外有楔形凹槽；所述楔形凹槽的内外半径分别为R14和R15，满足R2<R14，R15<R3；所述反馈环111是嵌在所述电子束收集极112外壁上的一个金属圆环，外半径为R16，满足R15<R16；所述支撑杆213共有两排，两排支撑杆的之间的距离L9约为工作波长λ四分之一的整数倍；所述微波输出口114是所述电子束收集极112和所述阳极外筒103之间形成的圆环形空间，所述微波输出口114内外半径分别为R17和R18；所述螺线管磁场115由两段组成，通过设计电流大小和绕线匝数确定磁场位型和强度；所述方形波导116通过所述螺线管磁场115两段之间的间隙将外注入微波信号馈入到所述注入腔105中；该器件运行时，所述阴极102产生的环形电子束在磁场导引下向右传输，首先在所述注入腔105中受到外注入微波信号的调制；电子束的调制在所述群聚腔107中得到加强；被调制的电子束在所述提取腔109中将能量转换为微波的能量，产生的微波从微波所述输出口114输出。实验中，在二极管电压580kV、电流6.9kA、注入微波60kW的条件下，该器件可输出微波功率1.1GW、频率9.375GHz，实现增益42.6dB、效率27％，并且输出微波的相位抖动被锁定在约10°范围内。该技术方案验证了三轴相对论速调管放大器在高频段实现GW级锁相高功率微波输出的可行性。但是该技术方案采用的单个三间隙群聚腔对强流电子束的调制能力有限，因此提取腔无法高效地将电子束的能量转换为微波的能量，致使器件的效率相对较低；此外，为了提高电子束的调制深度，注入微波所需的功率较高，导致器件的增益相对偏低；另外，注入腔采用双端口微波注入结构，实验中容易产生两个端口的注入微波幅度和相位不一致，进而影响注入腔间隙电场的角向均匀性，降低电子束的调制深度；并且，该方案中采用的反射腔仅能实现对部分非旋转对称杂模的高效率抑制，105ns后未被高效率抑制的非旋转对称杂模逐渐起振，最终导致器件输出微波的脉冲宽度难以进一步提高。
图2为本发明能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的一种实施方式的结构示意图，图3为图2中左侧虚线区域的局部放大图，图4为图2中右侧虚线区域的局部放大图，图5为该实施方式的三维结构示意图；本发明由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、内导体204、注入腔205、第一反射腔206、第一群聚腔207、第二反射腔208、第二群聚腔209、第三反射腔210、提取腔211、锥波导212、反馈环213、电子束收集极214、支撑杆215、微波输出口216、螺线管磁场217、注入波导218组成；其中，注入腔205由注入腔内筒205a和注入腔外筒205b组成，第一反射腔206由第一反射腔内筒206a和第一反射腔外筒206b组成，第一群聚腔207由第一群聚腔内筒207a和第一群聚腔外筒207b组成，第二反射腔208由第二反射腔内筒208a和第二反射腔外筒208b组成，第二群聚腔209由第二群聚腔内筒209a和第二群聚腔外筒209b组成，第三反射腔210由第三反射腔内筒210a和第三反射腔外筒210b组成，提取腔211由提取腔内筒211a和提取腔外筒211b组成，支撑杆215由左侧支撑杆215a和右侧支撑杆215b组成，螺线管磁场217由左侧螺线管磁场217a和右侧螺线管磁场217b组成；所述能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的整体结构关于中心轴线(即OZ轴)旋转对称。
所述阴极座201和所述阳极外筒203采用无磁不锈钢材料，所述内导体204、所述电子束收集极214、所述支撑杆215采用无磁不锈钢、或无氧铜、或钛等金属材料，所述注入波导218采用高电导率的无氧铜或铝镀银，所述阴极202采用高密度石墨、或碳纤维、或复合铜介质等材料，所述螺线管磁场217采用玻璃丝包铜线或聚酰亚胺薄膜包铜线绕制而成；
所述阴极座201左端外接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒203左端外接脉冲功率源的外导体；所述阴极202是一个薄壁圆筒，套在所述阴极座201右端，所述阴极202壁厚为1mm-2mm，在本实施例中取值为2mm，外半径R1等于电子束的半径；所述阳极外筒203由两段内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成，满足R1<R3<R2；
所述内导体204是一个半径为R4，长度为L1的圆柱体，满足R4<R1，所述内导体204通过其右端的外螺纹与所述电子束收集极214相连接；
所述注入腔205的工作模式为同轴TM011模式，包括所述注入腔内筒205a和所述注入腔外筒205b两部分；其中，所述注入腔内筒205a为圆环形凹槽，挖于所述内导体204的外壁，距离204左侧端面轴向距离为L2，所述注入腔内筒205a内半径R5满足R5<R4，宽度为L3，本实施例中L3的取值为工作波长λ的0.23倍；所述注入腔外筒205b是在阳极外筒上挖的一个圆环，外半径为R6、内半径为R7、宽度为L4，满足R3<R7<R6，本实施例中L4的取值约为工作波长λ的0.75倍；所述注入腔外筒205b在正对所述注入腔内筒205a处设置有宽度为L3的开口；
所述第一反射腔206距离所述注入腔205右侧端面的距离为L5，本实施例中L5取值为工作波长λ的4.1倍；所述第一反射腔206的内径为R8、外径为R9、宽度为L6，满足R8<R5，R9>R6，本实施例中L6取值为工作波长λ的0.43倍；所述第一群聚腔207与所述第一反射腔206之间的距离为L7，本实施例中L7取值为工作波长λ的0.21倍；所述第一群聚腔207由所述第一群聚腔内筒207a和所述第一群聚腔外筒207b两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为760；其中，所述第一群聚腔内筒207a为圆环形凹槽，挖于所述内导体204的外壁，所述第一群聚腔内筒207a内半径为R10、宽度为L8，满足R10<R4，本实施例中L8取值为工作波长λ的0.22倍；所述第一群聚腔外筒207b是所述阳极外筒203内壁上与所述第一群聚腔内筒207a正对的圆环凹槽，所述第一群聚腔外筒207b外半径为R11、宽度为L8；所述第一反射腔206及所述第一群聚腔207满足R8<R10<R4，R3<R11<R9；
所述第二反射腔208与所述第一群聚腔207右侧端面之间的距离为L9，本实施例中L9为工作波长λ的2.3倍；所述第二反射腔208的内径为R12、外径为R13、宽度为L10，满足R12<R5，R13>R6，本实施例中L10为工作波长λ的0.24倍；所述第二群聚腔209与所述第二反射腔208之间的距离为L11，本实施例中L11为工作波长λ的0.29倍；所述第二群聚腔209由所述第二群聚腔内筒209a和所述第二群聚腔外筒209b两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为850；其中，所述第二群聚腔内筒209a为圆环形凹槽，挖于所述内导体204的外壁，所述第二群聚腔内筒209a内半径为R14、宽度为L12，满足R14<R4，本实施例中L12为工作波长λ的0.29倍；所述第二群聚腔外筒209b是所述阳极外筒203内壁上与所述第二群聚腔内筒209a正对的圆环凹槽，所述第二群聚腔外筒209b外半径为R15、宽度为L12；所述第二反射腔208及所述第二群聚腔209满足R12<R14<R4，R3<R15<R13；
所述第三反射腔210与所述第二群聚腔209右侧端面之间的距离为L13，L13约为工作波长λ的1.6倍；所述第三反射腔210的内径为R16、外径为R17、宽度为L14，满足R16<R5，R17>R6，本实施例中L14为工作波长λ的0.31倍；所述提取腔211与所述第三反射腔210之间的距离为L15，本实施例中L15为工作波长λ的0.19倍；所述提取腔211由所述提取腔内筒211a和所述提取腔外筒211b两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为50；其中，所述提取腔内筒211a为圆环形凹槽，挖于所述内导体204的外壁，所述提取腔内筒211a内半径为R18、宽度为L16，满足R18<R4，本实施例中L16为工作波长λ的0.24倍；所述提取腔外筒211b是所述阳极外筒203内壁上与所述提取腔内筒211a正对的圆环凹槽，所述提取腔外筒211b是外半径为R19、宽度为L16；所述第三反射腔210及所述提取腔211满足R16<R18<R4，R3<R19<R17；
所述电子束收集极214为圆筒状，其长度为L17、半径为R20，满足R20>R3，本实施例中L17为工作波长λ的3.4倍；所述电子束收集极214左侧端面内半径为R21处挖有楔形凹槽214a，楔形凹槽214a的下底宽度为L18、内半径为R21、高度为H1、右侧斜面与水平方向的倾斜角为θ1，本实施例中L18为工作波长λ的1.2倍，θ1为16°，满足R4<R21<R3；在距离所述电子束收集极214左侧端面L19处，所述阳极外筒203的内壁以与水平方向成夹角θ2向外倾斜，本实施例中L19的取值约为工作波长λ的0.26倍，θ2为21°；所述倾斜段与所述电子束收集极214之间的锥形空间组成所述锥波导212；所述锥波导212右侧端面与所述电子束收集极214左侧端面的水平距离为L20，L20为工作波长λ；
所述反馈环213是一个金属圆环，其左侧端面距所述电子束收集极214左侧端面距离为L20；所述反馈环213的外半径为R22、宽为L21，满足R20<R22<R23，本例中L21为工作波长λ的0.17倍；所述反馈环213用于调整所述提取腔211的谐振频率和Q值；
所述电子束收集极214和所述阳极外筒203之间围成的圆环形空间为所述微波输出口216，所述微波输出口216内外半径分别为R20和R23，满足R20<R22<R23；
所述收集极214通过两排支撑杆215a和215b固定在所述阳极外筒203的内壁上，右侧支撑杆215b与左侧支撑杆215a之间的距离L22为工作波长λ四分之一的奇数倍，从而使支撑杆对微波的反射小于1％，本实施例中L22为工作波长λ的0.75倍；
所述螺线管磁场217由所述左侧螺线管磁场217a和所述右侧螺线管磁场217b两段组成，套在所述阳极筒203的外侧，根据磁场位型采用玻璃丝包铜线或聚酰亚胺薄膜包铜线绕制而成，通过改变螺线管磁场线圈的电流大小进而改变螺线管产生的磁场强度，实现对电子束的传输导引；
所述注入波导218为BJ120标准方形波导，通过所述左侧螺线管磁场217a和所述右侧螺线管磁场217b之间的间隙和所述注入腔外筒205b相连接，将外注入微波信号馈入到所述注入腔205中，实现电子束的预调制；
本实施例中所述内导体204可采用一个金属圆柱体，也可由多个金属圆柱体通过螺纹连接；所述内导体204和所述电子束收集极214通过螺纹连接成一体；所述电子束收集极214通过所述支撑杆215焊接在所述阳极外筒203的内壁上，实现等电位连接和机械支撑；所述阳极外筒203可采用一个金属圆柱体，也可由多个金属圆柱体通过带密封槽和定位台阶的法兰连接成一体；所述注入波导218可焊接或通过带密封槽和定位台阶的法兰与所述注入腔205相连接；
本发明运行时，所述阴极202在外接脉冲功率源的驱动下产生强流电子束；电子束在所述螺线管217的导引下依次经过所述注入腔205、所述第一群聚腔207、所述第二群聚腔209、所述提取腔211、最终被所述电子束收集极214的楔形凹槽收集；所述注入波导218将外接种子源的微波信号引入到所述注入腔205中，在所述注入腔205的间隙处激励起同轴TM011模式，经过的电子束进行初步的速度调制；电子束的速度调制被工作在TM011模式的所述第一群聚腔207和工作在TM011模式的所述第二群聚腔209加深，实现大于120％的电子束调制深度；被调制好的电子束在所述提取腔211中将其能量转给TM011模式的微波场，激励起高功率微波，然后通过所述微波输出口216向外输出；在所述第一群聚腔207、所述第二群聚腔209和所述提取腔211左端分别设置三个所述第一反射腔206、所述第二反射腔208和所述第三反射腔210来抑制TEM模式的能量泄露；需要强调的是，本发明中的反射腔仅用于抑制TEM模式的能量泄露，而背景介绍中现有技术中的反射腔需要同时实现TEM模式能量泄露的抑制和高阶非旋转对称TE模式自激振荡的抑制；因此，与背景介绍中的现有技术相比，本发明中反射腔的设计难度将会显著降低；
本实施例实现了能抑制非旋转对称杂模的Ku波段(中心频率为14.25GHz，对应微波波长λ＝2.1cm)三轴相对论速调管放大器(相应的尺寸为：R1＝24mm，R2＝52mm，R3＝28mm，R4＝22mm，R5＝19.2mm，R6＝32mm，R7＝30mm，R8＝15.5mm，R9＝35mm，R10＝18.8mm，R11＝31.2mm，R12＝16.5mm，R13＝33.5mm，R14＝19mm，R15＝31mm，R16＝16mm，R17＝33.5mm，R18＝19.2mm，R19＝31mm，R20＝29mm，R21＝23mm，R22＝33mm，R23＝35mm，L1＝258.1mm，L2＝34.2mm，L3＝4.8mm，L4＝14mm，L5＝86.5mm，L6＝9mm，L7＝4.5mm，L8＝4.6mm，L9＝48mm，L10＝5mm，L11＝6mm，L12＝6mm，L13＝34mm，L14＝6.5mm，L15＝4mm，L16＝5mm，L17＝72mm，L18＝25mm，L19＝5.5mm，L20＝21mm，L21＝3.5mm，L22＝16mm，H1＝4mm，θ1＝16°，θ2＝21°)。二维仿真模拟中，在二极管电压490kV、电流4kA、注入微波功率10kW、导引磁场0.5T的条件下，器件输出微波功率为660MW、频率为14.25GHz，对应的增益为48.2dB、效率为33.4％，输出微波相位抖动控制在±5°以内。并且，三维仿真研究结果表明：输出微波功率稳定，未出现非旋转对称杂模自激振荡现象，实现了锁频锁相的高功率微波输出。由上述结果可知，本发明克服了现有技术中TRKA非旋转对称杂模自激振荡难以完全抑制的缺点，且具有良好的锁频锁相特性，对于高功率微波空间相干合成所需的类似的相对论放大器设计具有重要的借鉴意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围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 (5)

1.一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，包括阴极座(201)、阴极(202)、阳极外筒(203)、内导体(204)、注入腔(205)、第一反射腔(206)、第一群聚腔(207)、第二反射腔(208)、第二群聚腔(209)、第三反射腔(210)、提取腔(211)、锥波导(212)、反馈环(213)、电子束收集极(214)、支撑杆(215)、微波输出口(216)、螺线管磁场(217)、注入波导(218)；其中，注入腔(205)由注入腔内筒(205a)和注入腔外筒(205b)组成，第一反射腔(206)由第一反射腔内筒(206a)和第一反射腔外筒(206b)组成，第一群聚腔(207)由第一群聚腔内筒(207a)和第一群聚腔外筒(207b)组成，第二反射腔(208)由第二反射腔内筒(208a)和第二反射腔外筒(208b)组成，第二群聚腔(209)由第二群聚腔内筒(209a)和第二群聚腔外筒(209b)组成，第三反射腔(210)由第三反射腔内筒(210a)和第三反射腔外筒(210b)组成，提取腔(211)由提取腔内筒(211a)和提取腔外筒(211b)组成，支撑杆(215)由左侧支撑杆(215a)和右侧支撑杆(215b)组成，螺线管磁场(217)由左侧螺线管磁场(217a)和右侧螺线管磁场(217b)组成；所述能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器的整体结构关于中心轴线旋转对称；其特征在于：所述阴极(202)在外接脉冲功率源的驱动下产生强流电子束；电子束在所述螺线管磁场(217)的导引下依次经过所述注入腔(205)、所述第一群聚腔(207)、所述第二群聚腔(209)、所述提取腔(211)、最终被所述电子束收集极(214)的楔形凹槽收集；所述注入波导(218)将外接种子源的微波信号引入到所述注入腔(205)中，在所述注入腔(205)的间隙处激励起同轴TM011模式，对经过的电子束进行初步的速度调制；电子束的速度调制被工作在TM011模式的所述第一群聚腔(207)和工作在TM011模式的所述第二群聚腔(209)加深，实现大于120％的电子束调制深度；被调制好的电子束在所述提取腔(211)中将其能量转给TM011模式的微波场，激励起高功率微波，然后通过所述微波输出口(216)向外输出；在所述第一群聚腔(207)、所述第二群聚腔(209)和所述提取腔(211)左端分别设置所述第一反射腔(206)、所述第二反射腔(208)和所述第三反射腔(210)来抑制TEM模式的能量泄露；所述第一反射腔(206)、所述第二反射腔(208)和所述第三反射腔(210)仅用于抑制TEM模式的能量泄露，而不需要考虑非旋转对称杂模的抑制；所述三轴相对论速调管放大器利用单间隙波束相互作用谐振腔来抑制非旋转对称杂模，所述注入腔(205)、所述第一群聚腔(207)、所述第二群聚腔(209)及所述提取腔(211)均为单间隙波束相互作用谐振腔，而单间隙谐振腔中的非旋转对称杂模在工作电压附近不满足起振条件。
2.根据权利要求1所述的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述阴极座(201)左端外接脉冲功率源的内导体，所述阳极外筒(203)左端外接脉冲功率源的外导体；所述阴极(202)是一个薄壁圆筒，套在所述阴极座(201)右端，所述阴极(202)壁厚为2mm，外半径R1等于电子束的半径；所述阳极外筒(203)由两段内半径分别为R2和R3的圆柱筒组成，满足R1<R3<R2；
所述内导体(204)是一个半径为R4，长度为L1的圆柱体，满足R4<R1，所述内导体(204)通过其右端的外螺纹与所述电子束收集极(214)相连接；
所述注入腔(205)的工作模式为同轴TM011模式，包括所述注入腔内筒(205a)和所述注入腔外筒(205b)两部分；其中，所述注入腔内筒(205a)为圆环形凹槽，挖于所述内导体(204)的外壁，距离所述内导体(204)左侧端面轴向距离为L2，所述注入腔内筒(205a)内半径R5满足R5<R4，宽度为L3，L3的取值为工作波长λ的0.23倍；所述注入腔外筒(205b)是在阳极外筒上挖的一个圆环，外半径为R6、内半径为R7、宽度为L4，满足R3<R7<R6，L4的取值约为工作波长λ的0.75倍；所述注入腔外筒(205b)在正对所述注入腔内筒(205a)处设置有宽度为L3的开口；
所述第一反射腔(206)距离所述注入腔(205)右侧端面的距离为L5，L5的取值为工作波长λ的4.1倍；所述第一反射腔(206)的内径为R8、外径为R9、宽度为L6，满足R8<R5，R9>R6，L6取值为工作波长λ的0.43倍；所述第一群聚腔(207)与所述第一反射腔(206)之间的距离为L7，L7取值为工作波长λ的0.21倍；所述第一群聚腔(207)由所述第一群聚腔内筒(207a)和所述第一群聚腔外筒(207b)两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为760；其中，所述第一群聚腔内筒(207a)为圆环形凹槽，挖于所述内导体(204)的外壁，所述第一群聚腔内筒(207a)内半径为R10、宽度为L8，满足R10<R4，L8取值为工作波长λ的0.22倍；所述第一群聚腔外筒(207b)是所述阳极外筒(203)内壁上与所述第一群聚腔内筒(207a)正对的圆环状凹槽，所述第一群聚腔外筒(207b)外半径为R11、宽度为L8；所述第一反射腔(206)及所述第一群聚腔(207)满足R8<R10<R4，R3<R11<R9；
所述第二反射腔(208)与所述第一群聚腔(207)右侧端面之间的距离为L9，L9取值为工作波长λ的2.3倍；所述第二反射腔(208)的内径为R12、外径为R13、宽度为L10，满足R12<R5，R13>R6，L10取值为工作波长λ的0.24倍；所述第二群聚腔(209)与所述第二反射腔(208)之间的距离为L11，L11取值为工作波长λ的0.29倍；所述第二群聚腔(209)由所述第二群聚腔内筒(209a)和所述第二群聚腔外筒(209b)两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为850；其中，所述第二群聚腔内筒(209a)为圆环形凹槽，挖于所述内导体(204)的外壁，所述第二群聚腔内筒(209a)内半径为R14、宽度为L12，满足R14<R4，L12取值为工作波长λ的0.29倍；所述第二群聚腔外筒(209b)是所述阳极外筒(203)内壁上与所述第二群聚腔内筒(209a)正对的圆环状凹槽，所述第二群聚腔外筒(209b)外半径为R15、宽度为L12；所述第二反射腔(208)及所述第二群聚腔(209)满足R12<R14<R4，R3<R15<R13；
所述第三反射腔(210)与所述第二群聚腔(209)右侧端面之间的距离为L13，L13约为工作波长λ的1.6倍；所述第三反射腔(210)的内径为R16、外径为R17、宽度为L14，满足R16<R5，R17>R6，L14取值为工作波长λ的0.31倍；所述提取腔(211)与所述第三反射腔(210)之间的距离为L15，L15取值为工作波长λ的0.19倍；所述提取腔(211)由所述提取腔内筒(211a)和所述提取腔外筒(211b)两部分组成，工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为50；其中，所述提取腔内筒(211a)为圆环形凹槽，挖于所述内导体(204)的外壁，所述提取腔内筒(211a)内半径为R18、宽度为L16，满足R18<R4，L16取值为工作波长λ的0.24倍；所述提取腔外筒(211b)是所述阳极外筒(203)内壁上与所述提取腔内筒(211a)正对的圆环状凹槽，所述提取腔外筒(211b)外半径为R19、宽度为L16；所述第三反射腔(210)及所述提取腔(211)满足R16<R18<R4，R3<R19<R17。
3.根据权利要求1所述的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述第一群聚腔(207)工作于同轴TM011模式，外观品质因素为760，用于对电子束进行初步调制；所述第二群聚腔(209)的工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为850，用于对电子束进行二次调制，进一步提高电子束调制深度；所述提取腔(211)的工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为50，用于束波能量转换；
所述第一反射腔(206)用于抑制所述第一群聚腔(207)中的TEM模式向所述注入腔(205)的泄露；所述第二反射腔(208)用于抑制所述第二群聚腔(209)中的TEM模式向所述第一群聚腔(207)的泄露；所述第三反射腔(210)用于抑制所述提取腔(211)中的TEM模式向所述第二群聚腔(209)的泄露。
4.根据权利要求1所述的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述电子束收集极(214)为圆筒状，其长度为L17、半径为R20，满足R20>R3，L17取值为工作波长λ的3.4倍；所述电子束收集极(214)左侧端面内半径为R21处挖有楔形凹槽(214a)，楔形凹槽(214a)的下底宽度为L18、内半径为R21、高度为H1、右侧斜面与水平方向的倾斜角为θ1，L18取值为工作波长λ的1.2倍，θ1为16°，满足R4<R21<R3；在距离所述电子束收集极(214)左侧端面L19处，所述阳极外筒(203)的内壁以与水平方向成夹角θ2向外倾斜，L19取值约为工作波长λ的0.26倍，θ2为21°；所述倾斜段与所述电子束收集极(214)之间的锥形空间组成所述锥波导(212)；所述锥波导(212)右侧端面与所述电子束收集极(214)左侧端面的水平距离为L20，L20为工作波长λ；
所述反馈环(213)是一个金属圆环，其左侧端面距所述电子束收集极(214)左侧端面距离为L20；所述反馈环(213)的外半径为R22、宽为L21，满足R20<R22<R23，L21取值为工作波长λ的0.17倍；所述反馈环(213)用于调整所述提取腔(211)的谐振频率和Q值；
所述电子束收集极(214)和所述阳极外筒(203)之间围成的圆环形空间为所述微波输出口(216)，所述微波输出口(216)内外半径分别为R20和R23，满足R20<R22<R23。
5.根据权利要求4所述的一种能抑制非旋转对称杂模的三轴相对论速调管放大器，其特征在于：所述收集极(214)通过两排支撑杆(215a)和(215b)固定在所述阳极外筒(203)的内壁上，右侧支撑杆(215b)与左侧支撑杆(215a)之间的距离L22为工作波长λ四分之一的奇数倍，从而使支撑杆对微波的反射小于1％，L22取值为工作波长λ的0.75倍。
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