CN112670141B - 同轴相对论速调管扩展互作用输出腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，目的是解决低功率容量问题。本发明由反射腔内导体、反射腔外导体、提取间隙内导体、两个提取间隙外导体、收集极内导体、收集极外导体、输出圆波导构成。反射腔内导体与反射腔外导体同轴嵌套，反射腔内导体外表面上的内侧反射槽和反射腔外导体内表面上的外侧反射槽组成反射腔。提取间隙内导体外表面上的提取槽、膜片与两个提取间隙外导体和内表面上的提取槽、膜片、支撑杆共同组成扩展互作用提取间隙。收集极内导体外表面和收集极外导体内表面上的梯形收集槽组成收集极。反射腔、扩展互作用提取间隙、收集极和输出通道组成本发明的工作通道。本发明能显著提升输出腔的功率容量。

Description

同轴相对论速调管扩展互作用输出腔

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种扩展互作用输出腔，尤其涉及一种同轴相对论速调管扩展互作用输出腔。

背景技术

相干合成技术可以大幅提升高功率微波系统的等效辐射功率，相对论速调管具有高功率、频率稳定、相位可控等优点，是高功率微波相干合成系统的核心器件。同轴相对论速调管通过同轴漂移管截止高频谐振腔的工作模式，使谐振腔之间模式隔离，通过适当增加器件的径向尺寸，有利于降低电子束的空间电荷效应，进而提高电子束动能与束流群聚深度，适合向高频段拓展。

然而，工作于高频段，由于谐振腔间隙尺寸的减小，射频击穿问题逐渐凸显，尤其是当输出功率与脉冲宽度提高时，射频击穿问题尤为突出，将导致器件功率下降、效率降低、脉冲缩短等问题，是限制高频段同轴相对论速调管发展的主要技术瓶颈。在相对论速调管中，输出腔的主要作用是将深度群聚后的电子束能量转化为高功率的微波能量，腔体内射频场非常强，容易发生射频击穿，是相对论速调管中射频击穿的最薄弱环节。当前，同轴相对论速调管的输出腔主要分为以下两种：第一种是单间隙输出腔，其结构较为紧凑，但功率容量与效率降低；第二种是多间隙输出腔，相比于单间隙输出腔，多间隙输出腔的功率容量略有提高，但由于其只有最后一个间隙与输出通道相连通耦合，提升效果有限，仍难以满足当前高频段高功率微波相干合成系统的需求。因此，亟需研制一种高功率容量、高效率、易于加工装配的同轴相对论速调管输出腔。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对同轴相对论速调管工作频率向高频段拓展时出现的低功率容量问题，提出一种具有高功率容量，同时兼具高效率、易于加工装配等优点的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔。

本发明的技术方案是：

一种同轴相对论速调管扩展互作用输出腔由反射腔内导体、反射腔外导体、提取间隙内导体、第一提取间隙外导体、第二提取间隙外导体、收集极内导体、收集极外导体以及输出圆波导共八部分构成，材料均为不锈钢。本发明在使用时，一端与同轴相对论速调管的群聚腔相连，一端与微波辐射系统相连。定义与外部群聚腔相连的一端为本发明的左端，与微波辐射系统相连的一端为本发明的右端；上述八个部件共轴，其中心轴线为旋转对称轴OO’；定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧。

反射腔内导体和反射腔外导体处于本发明最左端，反射腔内导体同轴嵌套于反射腔外导体内。第一提取间隙外导体、第二提取间隙外导体、提取间隙内导体处于本发明的中间，第一提取间隙外导体的左端与反射腔外导体的右端相连，第二提取间隙外导体的左端与第一提取间隙外导体的右端相连，第二提取间隙外导体的右端与输出圆波导的左端相连。提取间隙内导体的左端与反射腔内导体的右端相连，右端与收集极内导体的左端相连。第二提取间隙外导体、第一提取间隙外导体同轴，提取间隙内导体同轴嵌套于第一提取间隙外导体、第二提取间隙外导体内。输出圆波导、收集极外导体、收集极内导体位于本发明右端。输出圆波导的左端与第二提取间隙外导体的右端相连，收集极内导体的左端与提取间隙内导体的右端相连，收集极外导体通过侧壁与收集极内导体沿OO’方向相连以固定，收集极内导体、收集极外导体、输出圆波导由内到外同轴嵌套。

反射腔内导体与反射腔外导体同轴嵌套，反射腔内导体外表面上的内侧反射槽和反射腔外导体内表面上的外侧反射槽共同组成反射腔。反射腔内导体是半径为R₁，轴向长度为D₁的圆柱，反射腔内导体外表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₁的圆环，H₁＝R₁-R₃，R₃为在反射腔内导体外表面挖去的圆环的内半径，形成内侧反射槽；反射腔外导体是内半径为R₂，外半径为R₅，轴向长度为D₁的圆筒，反射腔外导体内表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₂的圆环，H₂＝R₄-R₂，R₄为反射腔外导体内表面挖去的圆环的外半径，形成外侧反射槽。内侧反射槽和外侧反射槽共同组成反射腔，反射腔的中心线为ZZ’。

提取间隙内导体外表面上的内侧第一提取槽、内侧第二提取槽、内侧第三提取槽及内侧第一膜片、内侧第二膜片与第一提取间隙外导体和第二提取间隙外导体内表面上的外侧第一提取槽、外侧第一膜片、外侧第一膜片支撑杆以及外侧第二提取槽、外侧第二膜片、外侧第二膜片支撑杆共同组成扩展互作用提取间隙。提取间隙内导体是半径等于R₁，轴向长度为D₂的圆柱，在提取间隙内导体外表面从左到右依次挖去三个轴向长度分别为L₄、L₆、L₈，深度均为H₃的圆环，H₃＝R₁-R₆，R₆为在提取间隙内导体外表面挖去的三个圆环的内半径，对应形成内侧第一提取槽、内侧第二提取槽、内侧第三提取槽，其中内侧第一提取槽与内侧第二提取槽、内侧第二提取槽与内侧第三提取槽之间形成内侧第一膜片与内侧第二膜片，内侧第一膜片与内侧第二膜片的轴向长度分别为L₅和L₇。第一提取间隙外导体、第二提取间隙外导体是内半径等于R₂，外半径等于R₅，轴向长度分别为D₃和D₄的圆筒。第一提取间隙外导体的内表面从左侧挖去一个轴向长度为L₄，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，R₈为在第一提取间隙外导体内表面挖去的圆环的外半径，成为外侧第一提取槽，外侧第一提取槽右侧剩余部分为外侧第一膜片及外侧第一膜片支撑杆的连体结构，外侧第一膜片的内半径等于R₂，外半径为R₇，即沿径向的长度H₅＝R₇-R₂，轴向长度为L₅。外侧第一膜片支撑杆为扇环形柱结构，在第一膜片支撑杆角向均匀开有扇环形孔，外侧第一膜片支撑杆的径向长度H₆＝R₈-R₇，轴向长度为L₅，角向宽度为d。第二提取间隙外导体的内表面从左端挖去一个轴向长度为L₆，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，成为外侧第二提取槽，右侧剩余部分为外侧第二膜片及外侧第二膜片支撑杆的连体结构，外侧第二膜片的内半径为R₂，外半径为R₇，即径向长度等于H₅，轴向长度为L₇，外侧第二膜片支撑杆同样为扇环形柱结构，是在其角向均匀开扇环形孔所形成的，外侧第二膜片支撑杆的径向长度等于H₆，轴向长度为L₇，角向宽度等于d。第一提取间隙外导体的轴向长度D₃与第二提取间隙外导体的轴向长度D₄不相等，外侧第一提取膜片的轴向长度L₅与外侧第二提取膜片的轴向长度L₇不相等，外侧第一提取槽的轴向长度等于内侧第一提取槽的轴向长度L₄，并且L₄＝L₆。

外侧第一膜片支撑杆和外侧第二膜片支撑杆在角向的数量一般通过外侧第一膜片和外侧第二膜片的外围周长除以器件工作波长λ估算得出，即数量N≈2πR₈/λ，然后根据算出的膜片支撑杆的数量在外侧第一膜片和外侧第二膜片外围均匀开扇环形孔，形成扇环形柱结构的膜片支撑杆。

收集极内导体和收集极外导体同轴嵌套，收集极内导体的外表面和收集极外导体内表面上的梯形收集槽共同组成收集极。收集极内导体是半径为R₉，轴向长度为D₅的圆柱。收集极外导体是内半径等于R₉，外半径为R₁₁，轴向长度等于D₅的圆筒，收集极外导体内表面从左到右依次先挖去一个内半径为R₉，外半径为R₁₀，轴向长度为L₉的圆筒，接着再挖去一个上底半径R₉，下底半径R₁₀，高为L₁₀的空心圆台，形成梯形收集槽。收集极外导体通过剩余的长度为L₁₁的内侧壁与收集极内导体的外侧壁紧贴而同轴嵌套并固定在收集极内导体的外侧。收集极内导体的外表面和收集极外导体内表面上的梯形收集槽共同组成收集极。

输出圆波导同轴嵌套在收集极外导体的外侧，收集极外导体的外表面和输出圆波导的内表面共同组成输出通道。输出圆波导是由不锈钢材料制成。输出圆波导的内半径为R₈，外半径为R₅，轴向长度为D₆。

反射腔、扩展互作用提取间隙、收集极和输出通道组成了本发明同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的工作通道。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、定义同轴相对论速调管的工作频点为f，真空中光速为c，则工作波长λ＝c/f。反射腔内导体轴向长度D₁(等于反射腔外导体的轴向长度)为扩展互作用提取间隙的加载距离，即上游群聚腔位置到下游漂移管中调制电流最大处的位置，具体大小可由粒子仿真软件Magic模拟得出。形成的反射腔的径向长度R＝R₄-R₃，R近似等于一个工作波长，即R≈c/f＝λ，通过在Magic软件中优化反射腔内导体反射槽的宽度L₂，使得在半径(R₂-R₁)/2处的轴向电场近似为零，L₃满足L₃＝λ-L₂/2，L₃为反射腔右端到扩展互作用提取间隙左端的轴向距离，则L₁＝D₁-L₂-L₃。R₁为反射腔内导体的半径(等于提取间隙内导体的半径)，R₂为反射腔外导体的半径(等于第一提取间隙外导体的内半径)，反射腔内导体1的半径R₁与上游群聚腔的内导体半径相等，反射腔外导体的内半径R₂与上游群聚腔的外导体内半径相等，R₅一般比R₂大2～4cm左右。

2、提取间隙内导体上的内侧第一提取槽的宽度L₄，内侧第二提取槽宽度L₆和内侧第三提取槽轴向长度L₈，满足L₈＝L₆＝L₄≈λ/4，内侧第一膜片的轴向长度L₅和内侧第二膜片的轴向长度L₇的大小在满足L₅>L₇的前提下靠近λ/4。第一提取间隙外导体中外侧第一提取槽的宽度L₄、外侧第一膜片的宽度L₅与内侧第一提取槽的宽度L₄、内侧第一膜片的宽度L₅对应相等，外侧第一膜片的径向长度H₅＝R₇-R₂，其大小一般取2～3cm左右，外侧第一膜片支撑杆的轴向长度与外侧第一膜片的轴向长度相等，径向长度H₆＝R₈-R₇，一般取λ/4～λ/2左右，角向宽度d一般取2-5mm即可。第二提取间隙外导体中外侧第二提取槽的轴向长度与提取间隙内导体内侧第二提取槽的轴向长度L₆相等，外侧第二膜片的轴向长度与提取间隙内导体内侧第二膜片的轴向长度L₇相等，外侧第二提取槽的深度与第一提取间隙外导体中的外侧第一提取槽的深度H₄相等，外侧第二膜片的径向长度与外侧第一膜片的径向长度H₅相等，外侧第二膜片支撑杆的径向长度H₆与外侧第一膜片支撑杆的径向长度相等，其中H₄＝H₅+H₆，D₃＝L₄+L₅，D₄＝L₆+L₇，提取间隙内导体的轴向长度D₂＝D₃+D₄+L₈。

3、收集极内导体的半径R₉略大于R₁，一般略大于1～2mm，收集极外导体的内半径R₁₀略小于R₂，一般略小于1～2mm，并且满足(R₁+R₂)/2＝(R₉+R₁₀)/2。收集极外导体的外半径R₁₁一般比其内半径R₁₀大2～4cm左右。L₉的取值范围一般为λ～2λ左右，L₁₀的取值范围一般为一个波长左右，即L₁₀≈λ，满足D₅＝L₉+L₁₀+L₁₁。收集极外导体的外表面和输出圆波导的内表面共同组成的输出通道的宽度H₇一般为λ/8左右，即输出圆波导的内半径R₈满足R₈＝R₁₁+λ/8，输出圆波导的轴向长度D₆，D₆＝D₅+L₈。

本发明中，如上所述的所有参数R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₁，H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇及d均可由粒子模拟软件Magic通过已知上游相对论速调管群聚腔的内导体半径(等于R₁)和外导体内半径(等于R₂)以及满足上述各部件的大概取值范围从而可以仿真优化得到其精确取值。

本发明的工作过程如下：

阴极爆炸发射的电子束在上游的群聚腔受到更强的速度调制和密度调制后，漂移运动到扩展互作用提取间隙处时，电子束中所包含的高频场基波分量达到极大值，在扩展互作用提取间隙建立起很高的高频场，这时群聚的电子束大部分处于高频场的负半周期，受到高频电场的作用而减速，电子束动能转换成高频微波能量，微波能量通过扩展互作用提取间隙外导体上的扇环形孔传输到输出通道，输出通道将微波传输到外部微波辐射系统，微波辐射系统将微波辐射出去。而电子在失去大部分动能后，进入收集极，剩余动能转换成热能并被冷却系统带走。由于扩展互作用提取间隙内的TM₀₁工作模式遇到谐振腔本身的不连续结构时有部分将转化为TEM模式，而工作通道又无法截止TEM模式，TEM模式会向上游的群聚腔泄漏，发生能量耦合，导致器件无法正常工作。所以要在扩展互作用提取间隙前加载反射腔，切断TEM模式的耦合路径，抑制TEM模式泄漏到上游谐振腔。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明通过将传统多间隙输出腔尺寸向径向外侧拓展，然后在腔体顶端沿角向均匀开扇环形孔，相比于传统多间隙输出腔只有最后一个间隙与输出通道相互连通耦合，该新型结构使得每个提取间隙直接与输出通道相互连通耦合，形成扩展互作用结构，显著提升了输出腔的功率容量，同时，该新型结构兼具高效率、易于加工装配等优点。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图，其中图1(a)为本发明的三维视图，图1(b)为图1(a)沿OO’的轴向剖视图；

图2为本发明反射腔内导体1、反射腔外导体2沿OO’的轴向剖视图；

图3为本发明图1(b)中扩展互作用提取间隙100的剖视图，其中图3(a)为沿OO’的轴向剖视图，图3(b)为图3(a)中A处的放大图，图3(c)为图1(b)中沿MM’的径向剖视图；

图4为本发明中收集极内导体6、收集极外导体7沿OO’的轴向剖视图。

图5为本发明中收集极外导体7、输出圆波导8沿OO’的轴向剖视图；

图6为传统双间隙输出腔与本发明一个具体实施例同轴相对论速调管输出腔的总场强分布示意图，图6(a)为同轴相对论速调管的传统双间隙输出腔的总场强分布示意图，图6(b)为本发明一个具体实施例的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的总场强分布示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的总体结构示意图。如图1(a)和图1(b)所示，本发明由反射腔内导体1、反射腔外导体2、提取间隙内导体3、两个提取间隙外导体(即第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5)、收集极内导体6、收集极外导体7以及输出圆波导8构成。本发明在使用时，一端与同轴相对论速调管的群聚腔相连，一端与微波辐射系统相连。定义与外部群聚腔相连的一端为本发明的左端，与微波辐射系统相连的一端为本发明的右侧；上述八个部件共轴，其中心轴线为旋转对称轴OO’；定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧。

反射腔内导体1和反射腔外导体2处于本发明最左端，反射腔内导体1同轴嵌套于反射腔外导体2内，反射腔内导体1外表面上的内侧反射槽11和反射腔外导体2内表面上的外侧反射槽21共同组成反射腔9。

第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5、提取间隙内导体3处于本发明的中间，第一提取间隙外导体4的左端与反射腔外导体2的右端相连，第二提取间隙外导体5的左端与第一提取间隙外导体4的右端相连，第二提取间隙外导体5的右端与输出圆波导8的左端相连。提取间隙内导体3的左端与反射腔内导体1的右端相连，右端与收集极内导体6的左端相连。第二提取间隙外导体5、第一提取间隙外导体4同轴，提取间隙内导体3同轴嵌套于第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5内。提取间隙内导体3外表面上的内侧第一提取槽31、内侧第二提取槽33、内侧第三提取槽35及内侧第一膜片32、内侧第二膜片34与第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5内表面上的外侧第一提取槽41、外侧第一膜片42、外侧第一膜片支撑杆43以及外侧第二提取槽51、外侧第二膜片52、外侧第二膜片支撑杆53共同组成扩展互作用提取间隙100；

输出圆波导8、收集极外导体7、收集极内导体6位于本发明右端。输出圆波导8的左端与第二提取间隙外导体5的右端相连，收集极内导体6的左端与提取间隙内导体3的右端相连，收集极外导体7通过侧壁与收集极内导体6沿OO’方向相连以固定。收集极内导体6、收集极外导体7、输出圆波导8由内到外同轴嵌套。

图2为本发明反射腔内导体1、反射腔外导体2沿OO’的轴向剖视图。反射腔内导体1和反射腔外导体2均为不锈钢材料制成。反射腔内导体1是半径为R₁，轴向长度为D₁的圆柱，反射腔内导体1外表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₁的圆环，H₁＝R₁-R₃，R₃为在反射腔内导体1的外表面挖去的圆环的内半径，形成内侧反射槽11；反射腔外导体2是内半径为R₂，外半径为R₅，轴向长度为D₁的圆筒，反射腔外导体2内表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₂的圆环，H₂＝R₄-R₂，R₄为在反射腔外导体2的内表面挖去的圆环的外半径，形成外侧反射槽21。内侧反射槽11和外侧反射槽21共同组成反射腔9，反射腔9的中心线为ZZ’。

图3(a)为本发明提取间隙内导体3、第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5沿OO’的轴向剖视图，图3(b)是图3(a)中A处放大图，图3(c)是图1(b)中沿MM’的径向剖视图。提取间隙内导体3与第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5均为不锈钢材料制成。如图3(a)所示，提取间隙内导体3是半径等于R₁，轴向长度为D₂的圆柱，如图3(b)所示，在提取间隙内导体3外表面从左到右依次挖去三个轴向长度分别为L₄、L₆、L₈，深度均为H₃的圆环，H₃＝R₁-R₆，R₆为在提取间隙内导体3的外表面挖去的三个圆环的内半径，对应形成内侧第一提取槽31、内侧第二提取槽33、内侧第三提取槽35。其中内侧第一提取槽31与内侧第二提取槽33、内侧第二提取槽33与内侧第三提取槽35之间形成内侧第一膜片32与内侧第二膜片34，内侧第一膜片32与内侧第二膜片34的轴向长度分别为L₅和L₇。如图3(a)所示，第一提取间隙外导体4、第二提取间隙外导体5是内半径等于R₂，外半径等于R₅，轴向长度分别为D₃和D₄的圆筒。如图3(b)所示，第一提取间隙外导体4的内表面从左侧挖去一个轴向长度为L₄，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，R₈为在第一提取间隙外导体4的内表面挖去的圆环的外半径，成为外侧第一提取槽41，外侧第一提取槽41右侧剩余部分为外侧第一膜片42及外侧第一膜片支撑杆43的连体结构，外侧第一膜片42的内半径等于R₂，外半径为R₇，即沿径向的长度H₅＝R₇-R₂，轴向长度为L₅。如图3(c)所示，外侧第一膜片支撑杆43为扇环形柱结构，在第一膜片支撑杆43角向均匀开有扇环形孔，外侧第一膜片支撑杆43的径向长度H₆＝R₈-R₇，轴向长度为L₅，角向宽度为d。第二提取间隙外导体5的内表面从左端挖去一个轴向长度为L₆，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，成为外侧第二提取槽51，右侧剩余部分为外侧第二膜片52及外侧第二膜片支撑杆53的连体结构，外侧第二膜片52的内半径为R₂，外半径为R₇，即径向长度等于H₅，轴向长度为L₇，外侧第二膜片支撑杆53同样为扇环形柱结构，是在其角向均匀开扇环形孔所形成的，外侧第二膜片支撑杆的径向长度等于H₆，轴向长度为L₇，角向宽度等于d。外侧第一提取槽41的轴向长度等于L₄，并且L₄＝L₆。

图4为本发明收集极内导体6、收集极外导体7沿OO’的轴向剖视图。收集极内导体6和收集极外导体7均由不锈钢材料制成。收集极内导体6是半径为R₉，轴向长度为D₅的圆柱。收集极外导体7是内半径等于R₉，外半径为R₁₁，轴向长度等于D₅的圆筒，收集极外导体7内表面从左到右依次先挖去一个内半径为R₉，外半径为R₁₀，轴向长度为L₉的圆筒，接着再挖去一个上底半径R₉，下底半径R₁₀，高为L₁₀的空心圆台，形成梯形收集槽71。收集极外导体7通过剩余的长度为L₁₁的内侧壁与收集极内导体6的外侧壁紧贴而同轴嵌套并固定在收集极内导体6的外侧。收集极内导体6的外表面和收集极外导体7内表面上的梯形收集槽71共同组成收集极。

图5为本发明输出圆波导8沿OO’的轴向剖视图。输出圆波导8是由不锈钢材料制成的圆筒。输出圆波导8的内半径为R₈，外半径等于R₅，轴向长度为D₆。收集极外导体7同轴嵌套于输出圆波导8内，收集极外导体7的外表面和输出圆波导8的内表面共同组成输出通道101。

反射腔9、扩展互作用提取间隙100、收集极和输出通道101组成了本发明同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的工作通道。

本发明的一种实施例的主要参数如下：R₁＝7.5cm、R₂＝8.5cm、R₃＝6.5cm、R₄＝9.5cm、R₅＝12cm、R₆＝7cm、R₇＝11cm、R₈＝11.8cm、R₉＝7.7cm、R₁₀＝8.3cm、R₁₁＝11.4cm，L₁＝3.85cm、L₂＝1.15cm、L₃＝1cm、L₄＝0.8cm、L₅＝0.6cm、L₆＝0.8cm、L₇＝0.5cm、L₈＝0.8cm、L₉＝4.9cm、L₁₀＝2.4cm、L₁₁＝0.2cm，H₁＝1cm、H₂＝1cm、H₃＝0.5cm、H₄＝3.3cm、H₅＝2.5cm、H₆＝0.8cm、H₇＝0.4cm，d＝4mm。

根据上述参数所设计的工作频段为X波段(工作频点8.4GHz)，用Magic软件仿真得到的结果如图6所示，其中图6(a)为同轴相对论速调管的传统双间隙输出腔的总场强分布示意图，横坐标为该输出腔的轴向长度，轴向长度为17cm，范围是从50cm到67cm，纵坐标为径向长度，最右侧为该输出腔的总场强分布图例，从下到上总场强从0逐渐增大到1.60MV/cm，可以知道该传统双间隙输出腔的最大表面总场强达到了1.60MV/cm；图6(b)为本发明一个具体实施例的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的总场强分布示意图，横坐标为该扩展互作用输出腔的轴向长度，轴向长度为17cm，范围是从34.5cm到51.5cm，纵坐标为径向长度，最右侧为该扩展互作用输出腔的总场强分布图例，从下到上总场强从0逐渐增大到1.0MV/cm，可以知道该扩展互作用输出腔的最大表面总场强只有1.0MV/cm。通过图6(a)与图6(b)的比较能很好地表明本发明扩展互作用输出腔的最大表面场强相比于传统双间隙输出腔有比较大的降低，即说明本发明扩展互作用输出腔的功率容量相比于传统的双间隙输出腔有显著的提升。

在其他的工作频段，只要采用本发明的扩展互作用输出腔结构，都能比较显著的降低最大表面场强，即功率容量能显著提升。

Claims (9)

1.一种同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于同轴相对论速调管扩展互作用输出腔由反射腔内导体(1)、反射腔外导体(2)、提取间隙内导体(3)、第一提取间隙外导体(4)、第二提取间隙外导体(5)、收集极内导体(6)、收集极外导体(7)以及输出圆波导(8)共八个部件构成，材料均为不锈钢；同轴相对论速调管扩展互作用输出腔在使用时一端与同轴相对论速调管的群聚腔相连，一端与微波辐射系统相连；定义与群聚腔相连的一端为左端，与微波辐射系统相连的一端为右端；八个部件共轴，其中心轴线为旋转对称轴OO’；定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧；

反射腔内导体(1)和反射腔外导体(2)处于最左端，反射腔内导体(1)同轴嵌套于反射腔外导体(2)内；第一提取间隙外导体(4)、第二提取间隙外导体(5)、提取间隙内导体(3)处于同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的中间，第一提取间隙外导体(4)的左端与反射腔外导体(2)的右端相连，第二提取间隙外导体(5)的左端与第一提取间隙外导体(4)的右端相连，第二提取间隙外导体(5)的右端与输出圆波导(8)的左端相连；提取间隙内导体(3)的左端与反射腔内导体(1)的右端相连，右端与收集极内导体(6)的左端相连；第二提取间隙外导体(5)、第一提取间隙外导体(4)同轴，提取间隙内导体(3)同轴嵌套于第一提取间隙外导体(4)、第二提取间隙外导体(5)内；

输出圆波导(8)、收集极外导体(7)、收集极内导体(6)位于同轴相对论速调管扩展互作用输出腔右端；输出圆波导(8)的左端与第二提取间隙外导体(5)的右端相连，收集极内导体(6)的左端与提取间隙内导体(3)的右端相连，收集极外导体(7)通过侧壁与收集极内导体(6)沿OO’方向相连以固定；收集极内导体(6)、收集极外导体(7)、输出圆波导(8)由内到外同轴嵌套；

反射腔内导体(1)是半径为R₁，轴向长度为D₁的圆柱，反射腔内导体(1)外表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₁的圆环，H₁＝R₁-R₃，R₃为在反射腔内导体(1)的外表面挖去的圆环的内半径，形成内侧反射槽(11)；反射腔外导体(2)是内半径为R₂，外半径为R₅，轴向长度为D₁的圆筒，反射腔外导体(2)内表面距离左端L₁处挖去一个轴向长度为L₂，深度为H₂的圆环，H₂＝R₄-R₂，R₄为在反射腔外导体(2)的内表面挖去的圆环的外半径，形成外侧反射槽(21)；内侧反射槽(11)和外侧反射槽(21)共同组成反射腔(9)，反射腔(9)的中心线为ZZ’；

提取间隙内导体(3)是半径等于R₁，轴向长度为D₂的圆柱，在提取间隙内导体(3)外表面从左到右依次挖去三个轴向长度分别为L₄、L₆、L₈，深度均为H₃的圆环，H₃＝R₁-R₆，R₆为在提取间隙内导体(3)的外表面挖去的三个圆环的内半径，对应形成内侧第一提取槽(31)、内侧第二提取槽(33)、内侧第三提取槽(35)；其中内侧第一提取槽(31)与内侧第二提取槽(33)、内侧第二提取槽(33)与内侧第三提取槽(35)之间形成内侧第一膜片(32)与内侧第二膜片(34)，内侧第一膜片(32)与内侧第二膜片(34)的轴向长度分别为L₅和L₇；

第一提取间隙外导体(4)、第二提取间隙外导体(5)是内半径等于R₂，外半径等于R₅，轴向长度分别为D₃和D₄的圆筒；第一提取间隙外导体(4)的内表面从左侧挖去一个轴向长度为L₄，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，R₈为在第一提取间隙外导体(4)的内表面挖去的圆环的外半径，成为外侧第一提取槽(41)，外侧第一提取槽(41)右侧剩余部分为外侧第一膜片(42)及外侧第一膜片支撑杆(43)的连体结构，外侧第一膜片(42)的内半径等于R₂，外半径为R₇，即沿径向的长度H₅＝R₇-R₂，轴向长度为L₅；外侧第一膜片支撑杆(43)为扇环形柱结构，在外侧第一膜片支撑杆(43)角向均匀开有扇环形孔，外侧第一膜片支撑杆(43)的径向长度H₆＝R₈-R₇，轴向长度为L₅，角向宽度为d；第二提取间隙外导体(5)的内表面从左端挖去一个轴向长度等于L₆，深度为H₄的圆环，H₄＝R₈-R₂，成为外侧第二提取槽(51)，右侧剩余部分为外侧第二膜片(52)及外侧第二膜片支撑杆(53)的连体结构，外侧第二膜片(52)的内半径为R₂，外半径为R₇，即径向长度等于H₅，轴向长度为L₇，外侧第二膜片支撑杆(53)同样为扇环形柱结构，是在其角向均匀开扇环形孔所形成的，外侧第二膜片支撑杆(53)的径向长度等于H₆，轴向长度为L₇，角向宽度等于d；外侧第一提取槽(41)的轴向长度等于L₄，并且L₄＝L₆；

提取间隙内导体(3)外表面上的内侧第一提取槽(31)、内侧第二提取槽(33)、内侧第三提取槽(35)及内侧第一膜片(32)、内侧第二膜片(34)与第一提取间隙外导体(4)、第二提取间隙外导体(5)内表面上的外侧第一提取槽(41)、外侧第一膜片(42)、外侧第一膜片支撑杆(43)以及外侧第二提取槽(51)、外侧第二膜片(52)、外侧第二膜片支撑杆(53)共同组成扩展互作用提取间隙(100)；

收集极内导体(6)是半径为R₉，轴向长度为D₅的圆柱；收集极外导体(7)是内半径等于R₉，外半径为R₁₁，轴向长度等于D₅的圆筒，收集极外导体(7)内表面从左到右依次先挖去一个内半径为R₉，外半径为R₁₀，轴向长度为L₉的圆筒，接着再挖去一个上底半径R₉，下底半径等于R₁₀，高为L₁₀的空心圆台，形成梯形收集槽(71)；收集极外导体(7)通过剩余的长度为L₁₁的内侧壁与收集极内导体(6)的外侧壁紧贴而同轴嵌套并固定在收集极内导体(6)的外侧；收集极内导体(6)的外表面和收集极外导体(7)内表面上的梯形收集槽(71)共同组成收集极；

输出圆波导(8)是由不锈钢材料制成的圆筒；输出圆波导(8)的内半径为R₈，外半径等于R₅，轴向长度为D₆；收集极外导体(7)同轴嵌套于输出圆波导(8)内，收集极外导体(7)的外表面和输出圆波导(8)的内表面共同组成输出通道(101)；输出通道(101)的宽度为H₇；

反射腔(9)、扩展互作用提取间隙(100)、收集极和输出通道(101)组成了同轴相对论速调管扩展互作用输出腔的工作通道。

2.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述反射腔内导体(1)的轴向长度D₁为扩展互作用提取间隙(100)的加载距离，采用粒子仿真软件Magic模拟得出；反射腔内导体(1)的半径R₁与群聚腔的内导体半径相等。

3.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述反射腔(9)的径向长度R＝R₄-R₃，R≈c/f＝λ，c为真空中光速，f为同轴相对论速调管的工作频率，λ为工作波长，通过Magic优化反射腔内导体反射槽的轴向长度L₂，使得在半径(R₂-R₁)/2处的轴向电场近似为零，L₃满足L₃＝λ-L₂/2，L₃为反射腔(9)右端到扩展互作用提取间隙(100)左端的轴向距离，L₁＝D₁-L₂-L₃。

4.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述反射腔外导体(2)的内半径R₂与群聚腔的外导体内半径相等，反射腔外导体(2)的外半径R₅比内半径R₂大2～4cm。

5.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述提取间隙内导体(3)上的内侧第一提取槽(31)的轴向长度L₄，内侧第二提取槽(33)轴向长度L₆和内侧第三提取槽(35)轴向长度L₈，满足L₈＝L₆＝L₄≈λ/4，内侧第一膜片(32)的轴向长度L₅和内侧第二膜片(34)的轴向长度L₇在满足L₅>L₇的前提下接近λ/4。

6.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述第一提取间隙外导体(4)中外侧第一提取槽(41)的轴向长度与提取间隙内导体(3)内侧第一提取槽(31)的轴向长度L₄相等，外侧第一膜片(42)的轴向长度与提取间隙内导体(3)内侧第一膜片(32)的轴向长度L₅相等，外侧第一膜片(42)的径向长度H₅＝R₇-R₂，H₅取2～3cm，外侧第一膜片支撑杆(43)的轴向长度与外侧第一膜片(42)的轴向长度相等，径向长度H₆＝R₈-R₇，H₆取λ/4～λ/2，角向宽度d取2-5mm。

7.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述第二提取间隙外导体(5)中外侧第二提取槽(51)的轴向长度与提取间隙内导体(3)内侧第二提取槽(33)的轴向长度L₆相等，外侧第二膜片(52)的轴向长度与提取间隙内导体(3)内侧第二膜片(34)的轴向长度L₇相等，外侧第二提取槽(51)的深度与第一提取间隙外导体(4)中的外侧第一提取槽(41)的深度H₄相等，外侧第二膜片(52)的径向长度与外侧第一膜片(42)的径向长度H₅相等，外侧第二膜片支撑杆(53)的径向长度与外侧第一膜片支撑杆(43)的径向长度H₆相等；H₄＝H₅+H₆，第一提取间隙外导体(4)的轴向长度D₃＝L₄+L₅，第二提取间隙外导体(5)的轴向长度D₄＝L₆+L₇，提取间隙内导体(3)的轴向长度D₂＝D₃+D₄+L₈。

8.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述收集极内导体(6)的半径R₉比R₁大1～2mm，收集极外导体(7)的内半径R₁₀比R₂小1～2mm，(R₁+R₂)/2＝(R₉+R₁₀)/2；收集极外导体(7)的外半径R₁₁比其内半径R₁₀大2～4cm；收集极外导体(7)的轴向长度L₉的取值范围为λ～2λ，L₁₀≈λ，收集极内导体(6)的轴向长度为D₅＝L₉+L₁₀+L₁₁。

9.如权利要求1所述的同轴相对论速调管扩展互作用输出腔，其特征在于所述输出圆波导(8)的内半径R₈满足R₈＝R₁₁+λ/8，输出圆波导(8)的轴向长度D₆＝D₅+L₈；收集极外导体(7)的外表面和输出圆波导(8)的内表面共同组成的输出通道(101)的宽度H₇为λ/8。

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