CN112038208A - 梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器。本发明由外导体、内导体、阴极组成，阴极右端悬空，内导体同轴嵌套于外导体内；内导体是外侧面刻有凹槽的圆柱体，分别刻有1个内矩形凹槽、7个内梯形凹槽，最右侧是一段矩形突起。外导体为内侧壁刻有凹槽和斜面的圆筒，外导体内壁凹槽分别与内导体外壁凹槽对应，外导体内壁斜面与内导体梯形凹槽对应；外导体矩形凹槽和内导体矩形凹槽组成反射器，外导体的第一～第四外梯形凹槽和内导体的第一～第四内梯形凹槽组成群聚腔；外导体的第五、第六外梯形凹槽和斜面与内导体的第五、第六、第七内梯形凹槽组成提取腔；本发明可解决振荡器强场击穿的问题，实现高功率、高效率、长脉冲的微波输出。

Description

梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其涉及一种梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，属于高功率微波技术领域。
背景技术
高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波，目前已经被广泛应用于定向能武器、雷达卫星、电子高能射频加速器、遥感及辐射测量等众多国防和工业领域。
高功率微波源是产生高功率微波辐射的核心部件，是利用强流电子束与谐振腔的相互作用来产生高功率微波。同轴渡越时间振荡器利用强流电子束与谐振腔中的本征驻波场进行能量交换，具有高功率、高效率、低导引磁场以及工作模式单一等特点，受到研究人员的广泛关注。
Ka波段微波是指频率处于26～40GHz的微波，具有波束窄、频谱范围宽、能量密度高、直线传播、抗干扰能力强等优点。其在卫星通信、雷达制导、科学研究等方面有着广泛的应用，具有良好的发展前景。同轴渡越时间振荡器虽然具有诸多优点，但是在Ka波段这样的高频段国内外的研究较少。研究Ka波段同轴渡越时间振荡器具有代表性的是国防科技大学设计的采用矩形谐振腔的器件(简称背景技术1)【宋莉莉.Ka波段高功率同轴渡越时间振荡器的研究[D]；国防科技大学,2018.】。该器件群聚腔和提取腔均是矩形结构。在二极管电压450kV、电流9.1kA、导引磁场0.6T的条件下，实验得到了约650MW的输出微波功率，微波频率26.5GHz，输出脉宽为10ns，器件效率(输出功率/输入功率)达到16％。该器件输出功率、效率较高，但是脉冲宽度较窄。主要原因为工作时矩形腔体内部电场强度较大，易发生强场击穿。
根据文献【曹亦兵,孙钧,宋志敏,et al.C波段长脉冲相对论返波管设计与实验[J].强激光与粒子束,2018,30(05):53-6.】中的研究结果，采用梯形结构可以增大腔体两侧的导体尖端距离，有利于避免导体尖端局部场增强，降低强场击穿的风险，并且在相同电子束参数和束-结构间距的条件下，电子束感应的静电场随着梯形结构斜面倾角的减小而增大。所以采用梯形结构的同轴渡越时间振荡器可以降低腔内电场强度，有助于实现长脉冲输出。文献虽然提到了梯形结构可以降低腔体内部电场强度，但是没有给出具体梯形结构如何设计的具体方案，目前还没有采用梯形腔体结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的公开报告。
由上可知同轴渡越时间振荡器具有低导引磁场、输出功率高、输出效率高等优点，但在Ka波段的研究较少，尤其是同时实现高效率、高功率和长脉冲输出的Ka波段同轴渡越时间振荡器的技术方案尚未有公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，降低同轴渡越时间振荡器工作时腔体内部电场强度，从而解决Ka波段同轴渡越时间振荡器工作时发生的强场击穿的问题，实现高功率、高效率、长脉冲的微波输出。
本发明的技术方案是：
一种梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，由外导体、内导体、阴极组成，整个结构关于中心轴线oo’旋转对称。Ka波段同轴渡越时间振荡器一端连接脉冲功率源，另一端连接辐射系统。定义连接脉冲功率源的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的左端，连接辐射系统的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的右端。阴极的左端连接脉冲功率源的内导体，阴极右端悬空，阴极右端距离内导体的距离为l8。内导体同轴嵌套于外导体内。内导体左端靠近阴极右端，内导体右端连接辐射系统。
阴极为圆环结构，阴极的外半径r12等于脉冲功率源内导体半径，阴极的厚度为t1(外半径r12与内半径r1的差值)，t1的值为1mm，且内半径r1和外半径r12均介于内导体外半径r3和外导体1内半径r4之间，满足r3<r1<r12<r4，且阴极的轴向长度为l2，阴极的作用为产生和发射电子束。
内导体是一段外侧面刻有凹槽的圆柱体，半径为r3，从内导体左端至右端分别刻有1个内矩形凹槽、7个内梯形凹槽，第七内梯形凹槽右侧为一段矩形突起，突起顶端的径向半径为r11。内矩形凹槽距内导体左端距离为l3，宽度为l4，内矩形凹槽的槽底处径向半径为r5；距离内矩形凹槽右侧l5处为4个外宽内窄的内梯形凹槽，这4个内梯形凹槽的尺寸完全相同。以第一内梯形凹槽为例，第一内梯形凹槽的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p1，平顶宽度为p2，槽底处的径向半径为r8。相邻两个内梯形凹槽之间距离为p3，；距离第四内梯形凹槽右端l6处也为3个外宽内窄内梯形凹槽2-6～2-8，这3个内梯形凹槽的尺寸完全相同，第五内梯形凹槽的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p4，平顶宽度为p5，第五内梯形凹槽、第六内梯形凹槽、第七内梯形凹槽中，相邻内梯形凹槽之间距离为p6，，第五内梯形凹槽的槽底处的径向半径为r9；第七内梯形凹槽右侧为矩形突起，矩形突起径向半径为r11，轴向长度为l7。
外导体为内侧壁刻有凹槽和斜面的圆筒，外导体内侧壁槽的位置与内导体外侧壁槽一一对应，7个外导体内壁凹槽(含一个外矩形凹槽、6个上宽下窄的外梯形凹槽)分别与7个内导体外壁凹槽(即内矩形凹槽、第一内梯形凹槽～第七内梯形凹槽)对应，外导体内壁斜面与内导体第七内梯形凹槽对应。外导体的外半径为r13，r13等于脉冲功率源的外导体的外半径。自外导体左端沿对称轴oo’向右延伸l9为外导体的左半部分，其余部分为外导体的右半部分。外导体的左半部分的内半径为r2，外导体的右半部分的内半径为r4，且r2>r4。外导体的左半部分为内侧壁光滑的圆筒，阴极同轴嵌于外导体的左半部分且阴极的左端面与外导体的左端面平齐，外导体壁厚t2为2mm，即r2和r13的差值为2mm。外导体的右半部分的内侧壁从左至右刻有1个外矩形凹槽、6个上宽下窄的外梯形凹槽，在第六外梯形凹槽右侧p6处为1个从外导体内壁向外壁从左向右斜切的斜面。外矩形凹槽与外导体右半部分左端的距离为l3，宽度等于l4，外矩形凹槽的槽底处半径为r6；外矩形凹槽右侧l5处为4个完全相同的外梯形凹槽，以第一外梯形凹槽为例，第一外梯形凹槽的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p1，平顶宽度等于p2，第一外梯形凹槽的槽底处的径向半径为r7；相邻外梯形凹槽之间距离等于p3。第四外梯形凹槽右侧l6处为2个完全相同的第五外梯形凹槽、第六外梯形凹槽，第五外梯形凹槽的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p4，平顶宽度等于p5，第五外梯形凹槽、第六外梯形凹槽之间距离等于p6，第五外梯形凹槽、第六外梯形凹槽的槽底处半径为r10；第六外梯形凹槽右侧p6处为斜面，斜面在中心轴线oo’上投影长度等于p1；斜面的右侧外导体的内半径等于r10。
阴极内半径r1，外导体左半部分内半径r2，内导体外半径r3，外导体右半部分内半径r4，内导体矩形突起处半径r11，阴极外半径r12，外导体外半径r13满足r3<r1<r12<r4<r11<r2<r13。r1、r3、r4、r12满足关系r1+r12＝r3+r4。定义器件的工作频率为f，光速为c，r3、r4满足关系f＝c/2(r3+r4)，结合r12等于脉冲功率源内导体半径、阴极厚度t1的数值即可确定r3、r4的数值。环形阴极轴向长度l2为经验值，取值范围为10～20mm；阴极距内导体距离l8，内导体外壁第四梯形凹槽与内导体外壁第五梯形凹槽的距离l6参照现有结构取值范围分别为5～10mm、20～25mm，具体数值使用CHIPIC软件仿真进行确定。内导体外壁矩形凹槽槽底处半径r5，外导体内壁矩形凹槽槽底处半径r6，外导体内壁第一外梯形凹槽～第四外梯形凹槽槽底处半径r7，内导体外壁第一内梯形凹槽～第四内梯形凹槽槽底处半径r8，内导体外壁第五内梯形凹槽～第七内梯形凹槽槽底处半径r9，外导体内壁第五外梯形凹槽、第六外梯形凹槽槽底处半径r10、内导体外壁矩形凹槽距内导体左端距离l3，内导体外壁矩形凹槽宽度l4，内导体外壁矩形凹槽与内导体外壁第一内梯形凹槽的距离l5，内导体外壁第一内梯形凹槽～第四内梯形凹槽的斜边长度p1，内导体外壁第一内梯形凹槽～第四内梯形凹槽的平顶宽度p2，内导体外壁第一内梯形凹槽～第四内梯形凹槽相邻梯形之间的距离p3，内导体外壁第五内梯形凹槽～第七内梯形凹槽的斜边长度p4，内导体外壁第五内梯形凹槽～第七内梯形凹槽的平顶宽度p5，内导体外壁第五内梯形凹槽～第七内梯形凹槽相邻梯形之间的距离p6为软件的优化结果。具体优化过程为：使用SUPERFISH(版本7.17及以上)软件对凹槽尺寸进行粗调，使器件的工作频率等于目标频率，之后使用CHIPIC软件对凹槽尺寸进行进一步优化，使器件的输出效率尽可能大，即可得以上参数的精确值。
外导体的外矩形凹槽和内导体的内矩形凹槽相对的空间组成了反射器，反射器的作用是防止群聚腔中的微波向阴极区域泄露；外导体的第一外梯形凹槽～第四外梯形凹槽和内导体的第一内梯形凹槽～第四内梯形凹槽相对组成了群聚腔，外导体的第五外梯形凹槽、第六外梯形凹槽和斜面与内导体的第五内梯形凹槽、第六内梯形凹槽、第七内梯形凹槽相对组成了提取腔。群聚腔用于对阴极发射的电子束进行密度调制和速度调制，最终将群聚腔内本征微波的能量交给电子束，提取腔用于与被群聚腔调制后的电子束相互作用，最终将电子束的能量传递给提取腔中的本征微波并沿器件右端的微波输出口传输出去。
所述阴极采用的材料可以为石墨铜、介质铜、不锈钢等，外导体、内导体均为不锈钢材料。
本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与由群聚腔和提取腔决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导辐射到外部空间；通过采用梯形结构的群聚腔和提取腔，降低群聚腔和提取腔内部电场强度，防止群聚腔和提取腔出现强场击穿的情况，对提升器件的功率容量、实现长脉冲微波输出有一定帮助。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
(1)本发明采用梯形结构的群聚腔和提取腔较传统的矩形结构腔体可以降低腔体内部的电场强度，在工作频率为31.5GHz的冷测结果中可降低约1.5MV/m的电场，防止腔体内部出现强场击穿的情况。
(2)本发明由内导体和外导体的矩形凹槽组成的反射器可以有效阻止群聚腔中微波向阴极区域泄露，有效改善了群聚腔和提取腔内部束波作用质量。
(3)本发明中Ka波段同轴渡越时间振荡器，在电压433.7kV、束流2.9kA的条件下的到了功率1.2GW、频率31.4GHz的微波输出，输出效率为38.7％，具有输出功率高、效率高的优点。
(4)所设计器件腔体数目少，避免了多腔器件(如相对论返波管)中存在的模式竞争等缺点，器件能始终保持在TM01模式下工作，具有模式单一的优点。
附图说明
图1为本发明梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的示意图；
图2为本发明梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器在工作频率为31.5GHz且不加电的情况下使用SUPERFISH进行仿真的群聚腔内电场分布对比图；图2(a)是径向电场强度对比图；图2(b)是轴向电场强度对比图；
图3为本发明梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器在工作频率为31.5GHz且不加电的情况下使用SUPERFISH进行仿真的提取腔内电场分布对比示意图，图3(a)是径向电场强度对比图，图3(b)是轴向电场强度对比图；
图4为本发明梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的典型电功率和输出功率波形图图。图4(a)为本发明典型电功率图；图4(b)是本发明输出功率波形图。
具体实施方式
采用SUPERFISH(版本7.17及以上)对本发明和相同工作频率下采用矩形凹槽的器件的电场强度进行对比，具体分析方法为在工作频率的条件下，对比采用矩形凹槽和梯形凹槽的群聚腔和提取腔内部电场大小。不采用热腔分析(器件加电)的原因是无法在软件中建立完美的梯形结构，所建立的梯形结构中存在很多微小的毛刺，对电场的测量有较大的影响。
图1为本发明梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的示意图；如图1所示，本发明由外导体1、内导体2、阴极3组成，整个结构关于中心轴线oo’旋转对称。Ka波段同轴渡越时间振荡器一端连接脉冲功率源，另一端连接辐射系统。定义连接脉冲功率源的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的左端，连接辐射系统的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的右端。阴极3的左端连接脉冲功率源的内导体，阴极3右端悬空，阴极3右端距离内导体2的距离为l8。内导体2同轴嵌套于外导体1内。内导体2左端靠近阴极3右端，内导体2右端连接辐射系统。
阴极3为圆环结构，阴极3的外半径r12等于脉冲功率源内导体半径，阴极3的厚度为t1(外半径r12与内半径r1的差值，t1的值为1mm，且内半径r1和外半径r12均介于内导体2外半径r3和外导体1内半径r4之间，满足r3<r1<r12<r4，且阴极3的轴向长度为l2，阴极3的作用为产生和发射电子束。
内导体2是一段外侧面刻有凹槽的圆柱体，半径为r3，从内导体2左端至右端分别刻有1个内矩形凹槽2-1、7个内梯形凹槽2-2～2-8，第七内梯形凹槽2-8右侧为一段矩形突起2-9，突起顶端的径向半径为r11。内矩形凹槽2-1距内导体2左端距离为l3，宽度为l4，内矩形凹槽2-1的槽底处径向半径为r5；距离内矩形凹槽2-1右侧l5处为4个外宽内窄的内梯形凹槽2-2～2-5，这4个内梯形凹槽的尺寸完全相同。以第一内梯形凹槽2-2为例，第一内梯形凹槽2-2的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p1，平顶宽度为p2，槽底处的径向半径为r8。相邻两个内梯形凹槽之间距离为p3，(如图1中画的是第二内梯形凹槽2-3与第三内梯形凹槽2-4之间距离为p3)；距离第四内梯形凹槽2-5右端l6处也为3个外宽内窄内梯形凹槽2-6～2-8，这3个内梯形凹槽的尺寸完全相同，第五内梯形凹槽2-6的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p4，平顶宽度为p5，第五内梯形凹槽2-6、第六内梯形凹槽2-7、第七内梯形凹槽2-8中，相邻内梯形凹槽之间距离为p6，，第五内梯形凹槽2-6的槽底处的径向半径为r9；第七内梯形凹槽2-8右侧为矩形突起2-9，矩形突起2-9径向半径为r11，轴向长度为l7。
外导体1为内侧壁刻有凹槽和斜面的圆筒，外导体1内侧壁槽的位置与内导体2外侧壁槽一一对应，7个外导体内壁凹槽(含一个外矩形凹槽1-1、6个上宽下窄的外梯形凹槽1-2～1-7)分别与7个内导体外壁凹槽(即内矩形凹槽2-1、第一内梯形凹槽2-2～第七内梯形凹槽2-8)对应，外导体1内壁斜面1-8与内导体2第七内梯形凹槽2-8对应。外导体的外半径为r13，r13等于脉冲功率源的外导体的外半径。自外导体1左端沿对称轴oo’向右延伸l9为外导体1的左半部分，其余部分为外导体1的右半部分。外导体1的左半部分的内半径为r2，外导体1的右半部分的内半径为r4，且r2>r4。外导体1的左半部分为内侧壁光滑的圆筒，阴极3同轴嵌于外导体1的左半部分且阴极3的左端面与外导体1的左端面平齐，外导体1壁厚t2为2mm，即r2和r13的差值为2mm。外导体1的右半部分的内侧壁从左至右刻有1个外矩形凹槽1-1、6个上宽下窄的外梯形凹槽1-2～1-7，在第七外梯形凹槽1-7右侧p6处为1个从外导体1内壁向外壁从左向右斜切的斜面1-8。外矩形凹槽1-1与外导体1右半部分左端的距离为l3，宽度等于l4，外矩形凹槽1-1的槽底处半径为r6；外矩形凹槽右侧l5处为4个完全相同的外梯形凹槽1-2～1-5，以第一外梯形凹槽1-2为例，第一外梯形凹槽1-2的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p1，平顶宽度等于p2，第一外梯形凹槽1-2的槽底处的径向半径为r7；相邻外梯形凹槽之间距离等于p3，(图1中画的是第二外梯形凹槽1-3与第三梯形凹槽1-4之间距离为p3)。第四外梯形凹槽1-5右侧l6处为2个完全相同的第五外梯形凹槽1-6、第六外梯形凹槽1-7，第五外梯形凹槽1-6的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p4，平顶宽度等于p5，第五外梯形凹槽1-6、第六外梯形凹槽1-7之间距离等于p6，第五外梯形凹槽1-6、第六外梯形凹槽1-7的槽底处半径为r10；第六外梯形凹槽1-7右侧p6处为斜面1-8，斜面1-8在中心轴线oo’上投影长度等于p1；斜面1-8的右侧外导体1的内半径等于r10。
阴极3内半径r1，外导体1左半部分内半径r2，内导体2外半径r3，外导体1右半部分内半径r4，内导体2矩形突起2-9处半径r11，阴极3外半径r12，外导体1外半径r13满足r3<r1<r12<r4<r11<r2<r13。r1、r3、r4、r12满足关系r1+r12＝r3+r4。定义器件的工作频率为f，光速为c，r3、r4满足关系f＝c/2(r3+r4)，结合r12等于脉冲功率源内导体半径、阴极厚度t1的数值即可确定r3、r4的数值。环形阴极轴向长度l2取值范围为10～20mm；阴极距内导体距离l8，内导体外壁第四梯形凹槽与内导体2外壁第五梯形凹槽的距离l6分别为5～10mm、20～25mm，具体数值使用CHIPIC软件仿真进行确定。内导体2外壁内矩形凹槽2-1槽底处半径r5，外导体1内壁外矩形凹槽1-1槽底处半径r6，外导体1内壁第一外梯形凹槽1-2～第四外梯形凹槽1-5槽底处半径r7，内导体2外壁第一内梯形凹槽2-2～第四内梯形凹槽2-5槽底处半径r8，内导体2外壁第五内梯形凹槽2-6～第七内梯形凹槽2-8槽底处半径r9，外导体1内壁第五外梯形凹槽1-6、第六外梯形凹槽1-7槽底处半径r10、内导体2外壁内矩形凹槽2-1距内导体左端距离l3，内导体2外壁内矩形凹槽2-1宽度l4，内导体2外壁内矩形凹槽2-1与内导体2外壁第一内梯形凹槽2-2的距离l5，内导体2外壁第一内梯形凹槽2-2～第四内梯形凹槽2-5的斜边长度p1，内导体2外壁第一内梯形凹槽2-2～第四内梯形凹槽2-5的平顶宽度p2，内导体2外壁第一内梯形凹槽2-2～第四内梯形凹槽2-5相邻梯形之间的距离p3，内导体2外壁第五内梯形凹槽2-6～第七内梯形凹槽2-8的斜边长度p4，内导体2外壁第五内梯形凹槽2-6～第七内梯形凹槽2-8的平顶宽度p5，内导体2外壁第五内梯形凹槽2-6～第七内梯形凹槽2-8相邻梯形之间的距离p6为软件的优化结果。具体优化过程为：使用SUPERFISH(版本7.17)对凹槽尺寸进行粗调，使器件的工作频率等于目标频率，之后使用CHIPIC软件对凹槽尺寸进行进一步优化，使器件的输出效率尽可能大，即可得以上参数的精确值。
外导体1的外矩形凹槽1-1和内导体2的内矩形凹槽2-1相对的空间组成了反射器，反射器的作用是防止群聚腔中的微波向阴极3区域泄露；外导体1的第一外梯形凹槽1-2～第四外梯形凹槽1-5和内导体2的第一内梯形凹槽2-2～第四内梯形凹槽2-5相对组成了群聚腔，外导体1的第五外梯形凹槽1-6、第六外梯形凹槽1-7和斜面1-8与内导体2的第五内梯形凹槽2-6、第六内梯形凹槽2-7、第七内梯形凹槽2-8相对组成了提取腔。群聚腔用于对阴极3发射的电子束进行密度调制和速度调制，最终将群聚腔内本征微波的能量交给电子束，提取腔用于与被群聚腔调制后的电子束相互作用，最终将电子束的能量传递给提取腔中的本征微波并沿器件右端的微波输出口传输出去。
按照上述参数之间的关系并采用上述优化过程得到本发明的一个实施例(实施例1)，其结构参数为：r1＝36.0mm、r2＝53.0mm、r3＝34.8mm、r4＝38.2mm、r5＝32.0mm、r6＝41.0mm、r7＝39.8mm、r8＝33.6mm、r9＝33.5mm、r10＝40.0mm、r11＝38.8mm、r12＝37.0mm、r13＝55.0mm、l1＝20.0mm、l2＝10.0mm、l3＝5.0mm、l4＝4.0mm、l5＝6.7mm、l6＝8.3mm、l7＝13.4mm、l8＝22.8mm、l9＝42.8mm、p1＝1.0mm、p2＝1.1mm、p3＝1.4mm、p4＝0.4mm、p5＝1.3mm、p6＝0.9mm、t1＝1.0mm、t2＝2.0mm。
图2(a)为工作频率31.5GHz时且不加电的情况下使用SUPERFISH(版本7.17)进行仿真时实施例1的梯形结构和背景技术1所述矩形结构的群聚腔径向电场强度对比图，横坐标为器件的轴向长度，纵坐标为器件内部径向电场。可以看出矩形群聚腔腔体的最大电场强度更大，最大电场强度大的腔体更易发生强场击穿。所以采用梯形结构的群聚腔腔体可以防止强场击穿。因此本发明相对于背景技术1所述的矩形结构的群聚腔，可以在群聚腔中防止强场击穿。
图2(b)为工作频率31.5GHz时且不加电的情况下使用SUPERFISH(版本7.17)进行仿真时实施例1的梯形结构和背景技术1所述矩形结构的群聚腔轴向电场强度对比图，横坐标为器件的轴向长度，纵坐标为器件内部轴向电场。可以看出群聚腔矩形腔体的最大电场强度更大，最大电场强度大的腔体更易发生强场击穿。所以采用梯形结构的群聚腔腔体可以防止强场击穿。因此本发明相对于背景技术1所述矩形结构的群聚腔，可以在群聚腔中防止强场击穿。
图3(a)为工作频率31.5GHz时且不加电的情况下使用SUPERFISH(版本7.17)进行仿真时实施例1的梯形结构和背景技术1所述矩形结构的提取腔径向电场强度对比图，横坐标为器件的轴向长度，纵坐标为器件内部径向电场。可以看出矩形提取腔腔体的最大电场强度更大，最大电场强度大的提取腔腔体更易发生强场击穿。所以采用梯形结构的提取腔腔体可以防止强场击穿。因此本发明相对于背景技术1所述矩形结构的提取腔，可以在提取腔中防止强场击穿。
图3(b)为工作频率31.5GHz时且不加电的情况下使用SUPERFISH(版本7.17)进行仿真时实施例1的梯形结构和背景技术1所述矩形结构的提取腔轴向电场强度对比图，横坐标为器件的轴向长度，纵坐标为器件内部轴向电场。可以看出矩形提取腔腔体的最大电场强度更大，最大电场强度大的提取腔体更易发生强场击穿。所以采用梯形结构的提取腔体可以防止强场击穿。因此本发明相对于背景技术1所述矩形结构的提取腔，可以在提取腔中防止强场击穿。
图4为实施例1的输出功率和电功率波形图，电功率为实施例1的的输入功率。可以看出实施例1的可以保证高效率输出。如图4(a)所示，横坐标是工作时间，纵坐标是实施例1的输入功率,在5×10-9s(即5ns)后输入功率功率稳定，为3.1×109W；如图4(b)所示，横坐标是工作时间，纵坐标是输出功率,在40×10-9s(即40ns)后输出功率稳定，为1.2×109W，从图可见器件的输出效率(稳定后的输出功率与输入功率的比值)达到了38.7％，远远大于背景技术1的效率16％，说明实施例1的可以实现高效率输出。
实施例1只是本发明的一个示例，本领域技术人员按照本发明所述优化方法可以得到不同的参数。
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。

Claims (7)

1.一种梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器由外导体(1)、内导体(2)、阴极(3)组成，整个结构关于中心轴线oo’旋转对称；Ka波段同轴渡越时间振荡器一端连接脉冲功率源，另一端连接辐射系统；定义连接脉冲功率源的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的左端，连接辐射系统的一端为梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器的右端；阴极(3)的左端连接脉冲功率源的内导体，阴极(3)右端悬空，阴极(3)右端距离内导体(2)的距离为l8；内导体(2)同轴嵌套于外导体(1)内；内导体(2)左端靠近阴极(3)右端，内导体(2)右端连接辐射系统；
阴极(3)为圆环结构，阴极(3)的外半径r12等于脉冲功率源内导体半径，阴极(3)的厚度为t1，等于外半径r12与内半径r1的差值，且内半径r1和外半径r12均介于内导体(2)外半径r3和外导体(1)内半径r4之间，满足r3<r1<r12<r4，且阴极(3)的轴向长度为l2；
内导体(2)是一段外侧面刻有凹槽的圆柱体，半径为r3，从内导体(2)左端至右端分别刻有1个内矩形凹槽(2-1)、7个内梯形凹槽(2-2)～(2-8)，第七内梯形凹槽(2-8)右侧为一段矩形突起(2-9)，突起顶端的径向半径为r11；内矩形凹槽(2-1)距内导体(2)左端距离为l3，宽度为l4，内矩形凹槽(2-1)的槽底处径向半径为r5；距离内矩形凹槽(2-1)右侧l5处为4个外宽内窄的内梯形凹槽(2-2)～(2-5)，这4个内梯形凹槽的尺寸完全相同；第一内梯形凹槽(2-2)的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p1，平顶宽度为p2，槽底处的径向半径为r8；相邻两个内梯形凹槽之间距离为p3；距离第四内梯形凹槽(2-5)右端l6处也为3个外宽内窄内梯形凹槽(2-6)～(2-8)，这3个内梯形凹槽的尺寸完全相同，第五内梯形凹槽(2-6)的斜边在中心轴线oo’上投影长度为p4，平顶宽度为p5，第五内梯形凹槽(2-6)、第六内梯形凹槽(2-7)、第七内梯形凹槽(2-8)中，相邻内梯形凹槽之间距离为p6，第五内梯形凹槽(2-6)的槽底处的径向半径为r9；第七内梯形凹槽(2-8)右侧为矩形突起(2-9)，矩形突起(2-9)径向半径为r11，轴向长度为l7；
外导体(1)为内侧壁刻有凹槽和斜面的圆筒，外导体(1)内侧壁槽的位置与内导体(2)外侧壁槽一一对应，外矩形凹槽(1-1)、6个上宽下窄的外梯形凹槽(1-2)～(1-7)分别与内矩形凹槽(2-1)、第一内梯形凹槽(2-2)～第六内梯形凹槽(2-7)对应，外导体(1)内壁斜面(1-8)与内导体(2)第七内梯形凹槽(2-8)对应；外导体的外半径为r13，r13等于脉冲功率源的外导体的外半径；自外导体(1)左端沿对称轴oo’向右延伸l9为外导体(1)的左半部分，其余部分为外导体(1)的右半部分；外导体(1)的左半部分的内半径为r2，外导体(1)的右半部分的内半径为r4，且r2>r4；外导体(1)的左半部分为内侧壁光滑的圆筒，阴极(3)同轴嵌于外导体(1)的左半部分且阴极(3)的左端面与外导体(1)的左端面平齐，外导体(1)壁厚t2为r2和r13的差值；外导体(1)的右半部分的内侧壁从左至右刻有1个外矩形凹槽(1-1)、6个上宽下窄的外梯形凹槽(1-2)～(1-7)，在第六外梯形凹槽(1-7)右侧p6处为1个从外导体(1)内壁向外壁从左向右斜切的斜面(1-8)；外矩形凹槽(1-1)与外导体(1)右半部分左端的距离为l3，宽度等于l4，外矩形凹槽(1-1)的槽底处半径为r6；外矩形凹槽(1-1)右侧l5处为4个完全相同的外梯形凹槽(1-2)～(1-5)，第一外梯形凹槽(1-2)的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p1，平顶宽度等于p2，第一外梯形凹槽(1-2)的槽底处的径向半径为r7；相邻外梯形凹槽之间距离等于p3；第四外梯形凹槽(1-5)右侧l6处为2个完全相同的第五外梯形凹槽(1-6)、第六外梯形凹槽(1-7)，第五外梯形凹槽(1-6)的斜边在中心轴线oo’上投影长度等于p4，平顶宽度等于p5，第五外梯形凹槽(1-6)、第六外梯形凹槽(1-7)之间距离等于p6，第五外梯形凹槽(1-6)、第六外梯形凹槽(1-7)的槽底处半径为r10；第六外梯形凹槽(1-7)右侧p6处为斜面(1-8)，斜面(1-8)在中心轴线oo’上投影长度等于p1；斜面(1-8)的右侧外导体(1)的内半径等于r10；
外导体矩形凹槽(1-1)和内导体矩形凹槽(2-1)相对的空间组成反射器，反射器防止群聚腔中的微波向阴极(3)区域泄露；外导体(1)的第一外梯形凹槽(1-2)～第四外梯形凹槽(1-5)和内导体(2)的第一内梯形凹槽(2-2)～第四内梯形凹槽(2-5)相对组成群聚腔；外导体(1)的第五外梯形凹槽(1-6)、第六外梯形凹槽(1-7)和斜面(1-8)与内导体(2)的第五内梯形凹槽(2-6)、第六内梯形凹槽(2-7)、第七内梯形凹槽(2-8)相对组成了提取腔；群聚腔用于对阴极(3)发射的电子束进行密度调制和速度调制，最终将群聚腔内本征微波的能量交给电子束，提取腔用于与被群聚腔调制后的电子束相互作用，最终将电子束的能量传递给提取腔中的本征微波并沿器件右端的微波输出口传输出去。
2.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述阴极(3)的厚度t1为1mm，所述外导体(1)壁厚t2为2mm。
3.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述阴极(3)内半径r1，外导体(1)左半部分内半径r2，内导体(2)外半径r3，外导体(1)右半部分内半径r4，内导体(2)矩形突起(2-9)处半径r11，阴极(3)外半径r12，外导体(1)外半径r13满足r3<r1<r12<r4<r11<r2<r13；且r1、r3、r4、r12满足关系r1+r12＝r3+r4；定义器件的工作频率为f，光速为c，r3、r4满足关系f＝c/2(r3+r4)，结合r12、阴极厚度t1的数值即可确定r3、r4的数值。
4.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述环形阴极轴向长度l2为10～20mm；阴极距内导体距离l8为5～10mm，内导体外壁第四梯形凹槽与内导体2外壁第五梯形凹槽的距离l6为20～25mm。
5.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述内导体(2)外壁矩形凹槽(2-1)槽底处半径r5，外导体(1)内壁矩形凹槽(1-1)槽底处半径r6，外导体(1)内壁第一梯形凹槽(1-2)～第四梯形凹槽(1-5)槽底处半径r7，内导体(2)外壁第一梯形凹槽(2-2)～第四梯形凹槽(2-5)槽底处半径r8，内导体(2)外壁第五内梯形凹槽(2-6)～第七内梯形凹槽(2-8)槽底处半径r9，外导体(1)内壁第五外梯形凹槽(1-6)、第六外梯形凹槽(1-7)槽底处半径r10、内导体(2)外壁矩形凹槽(2-1)距内导体左端距离l3，内导体(2)外壁矩形凹槽(2-1)宽度l4，内导体(2)外壁矩形凹槽(2-1)与内导体(2)外壁第一内梯形凹槽(2-2)的距离l5，内导体(2)外壁第一内梯形凹槽(2-2)～第四内梯形凹槽(2-5)的斜边长度p1，内导体(2)外壁第一内梯形凹槽(2-2)～第四内梯形凹槽(2-5)的平顶宽度p2，内导体(2)外壁第一内梯形凹槽(2-2)～第四内梯形凹槽(2-5)相邻梯形之间的距离p3，内导体(2)外壁第五内梯形凹槽(2-6)～第七内梯形凹槽(2-8)的斜边长度p4，内导体(2)外壁第五内梯形凹槽(2-6)～第七内梯形凹槽(2-8)的平顶宽度p5，内导体(2)外壁第五内梯形凹槽(2-6)～第七内梯形凹槽(2-8)相邻梯形之间的距离p6为软件的优化结果：使用SUPERFISH软件对凹槽尺寸进行粗调，使器件的工作频率等于目标频率，之后使用CHIPIC软件对凹槽尺寸进行进一步优化，即得这些参数的精确值。
6.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述SUPERFISH软件为版本7.17及以上。
7.如权利要求1所述的梯形结构的Ka波段同轴渡越时间振荡器，其特征在于所述阴极(3)采用石墨铜或介质铜或不锈钢制备，所述外导体(1)、内导体(2)采用不锈钢制备。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE927340C (de) * 1952-05-29 1955-05-05 Csf Zwischensteg-Verzoegerungsleitung fuer Wanderfeld- oder Magnetronroehren
US5576679A (en) * 1994-10-25 1996-11-19 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Cylindrical permanent magnet unit suitable for gyrotron
CN102208315A (zh) * 2011-04-26 2011-10-05 中国人民解放军国防科学技术大学 紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器
CN106098510A (zh) * 2016-07-04 2016-11-09 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种重频低磁场轴向c波段高功率微波器件
CN108470667A (zh) * 2018-03-29 2018-08-31 中国人民解放军国防科技大学 轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件
CN109192640A (zh) * 2018-09-11 2019-01-11 中国人民解放军国防科技大学 一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器
CN111081507A (zh) * 2020-01-08 2020-04-28 深圳市思博克科技有限公司 用于车船迫停的高效率低磁场高功率微波器件
CN111128645A (zh) * 2020-01-08 2020-05-08 深圳市思博克科技有限公司 一种用于车船迫停的x波段高功率微波器件

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE927340C (de) * 1952-05-29 1955-05-05 Csf Zwischensteg-Verzoegerungsleitung fuer Wanderfeld- oder Magnetronroehren
US5576679A (en) * 1994-10-25 1996-11-19 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Cylindrical permanent magnet unit suitable for gyrotron
CN102208315A (zh) * 2011-04-26 2011-10-05 中国人民解放军国防科学技术大学 紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器
CN106098510A (zh) * 2016-07-04 2016-11-09 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种重频低磁场轴向c波段高功率微波器件
CN108470667A (zh) * 2018-03-29 2018-08-31 中国人民解放军国防科技大学 轻小型永磁封装Ku波段同轴渡越器件
CN109192640A (zh) * 2018-09-11 2019-01-11 中国人民解放军国防科技大学 一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器
CN111081507A (zh) * 2020-01-08 2020-04-28 深圳市思博克科技有限公司 用于车船迫停的高效率低磁场高功率微波器件
CN111128645A (zh) * 2020-01-08 2020-05-08 深圳市思博克科技有限公司 一种用于车船迫停的x波段高功率微波器件

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