CN113594009A - 一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器 - Google Patents
一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器(TKA)，包括阴极座201、阳极外筒202、阴极203、内导体204、注入腔205、第一群聚腔206、第一反射腔207、第二群聚腔208、第二反射腔209、提取腔210、电子束收集极211、锥波导212、反馈环213、微波输出口214、注入波导215、左侧永磁体磁场216a和右侧永磁体磁场216b，整体结构关于中心轴线旋转对称。本发明为HPM空间相干功率合成所需的模块化TKA提供了一种可行的技术方案，通过高频电磁结构的合理优化和利用腔体间的TEM模正反馈能量耦合来缩短器件的轴向长度，通过采用径向充磁的高磁性材料钕铁硼设计永磁体磁场，首次实现了Ku波段TKA一百公斤以内的永磁封装设计。
Description
技术领域
本申请涉及高功率微波技术领域的微波源器件，特别是涉及一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器。
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。随着高功率微波技术领域的发展，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HPM源进行空间相干功率合成的技术路线。
三轴相对论速调管放大器(Triaxial Klystron Amplifier,TKA)是一种基于电子束分布调制理论的HPM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、群聚、能量转换和微波提取，能够在高频段(X及以上波段)实现锁频锁相的HPM输出，是实现高频段HPM空间相干功率合成的优选器件之一。
然而，TKA器件中电子束的调制和群聚分布在器件的不同区域中，相邻调制区域之间需要较长的漂移段来确保电子束的充分群聚。因此，在相同工作频率下，与电子束的调制和群聚在同一区域进行的HPM振荡器相比较，TKA的轴向尺寸要长很多。一般的，HPM源器件中电子束的轴向传输需要外加导引磁场进行约束，且此外加导引磁场通常由通电螺线管产生。由于TKA的轴向尺寸较长，因此在同一强度外加导引磁场下，TKA工作所需的通电螺线管尺寸明显大于同一工作频率HPM振荡器工作所需的通电螺线管尺寸。
通电螺线管尺寸的增大，一方面会导致通电螺线管能耗的上升；另一方面，通电螺线管及其附属的供能和水冷系统会导致HPM系统体积和能耗的增大，不利于TKA的模块化集成。
为提高整个HPM系统的能量利用率并减小系统体积，研究人员提出利用永磁体代替通电螺线管的方法。然而，由于TKA器件工作所需磁场强度较高以及TKA器件的轴向长度比同频段的HPM振荡器长很多，研究人员尚未实现TKA的模块化永磁封装。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，能够实现TKA的模块化永磁封装。
一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，所述永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器包括：
用于永磁封装的永磁体，以及设置在所述永磁体内的三轴相对论速调管放大器；
所述三轴相对论速调管放大器包括：注入腔、内导体、第一群聚腔和阳极外筒；
所述注入腔包括相对设置的注入腔内筒和注入腔外筒；所述注入腔内筒固定设在所述内导体上；所述注入腔外筒为同轴环形谐振腔，固定设在所述注入腔内筒和所述第一群聚腔之间，并且固定设在所述阳极外筒的内壁上；
所述注入腔内筒的内半径为R5，宽度为L5，与所述内导体204左侧端面的距离为L4；所述注入腔外筒的内半径为R6，外半径为R7，宽度为L6；所述注入腔外筒在正对所述注入腔内筒的位置设有宽度为L5的开口；L5的取值为工作波长λ的四分之一，L6的取值为工作波长λ的四分之三。
在其中一个实施例中，所述永磁体包括左侧永磁体和右侧永磁体，形成左侧永磁体磁场和右侧永磁体磁场；所述左侧永磁体和所述右侧永磁体均采用高磁性材料钕铁硼烧制而成，套在所述阳极外筒的外侧。
在其中一个实施例中，所述左侧永磁体和所述右侧永磁体的纵向截面呈对称结构，永磁体磁钢截面呈“L”型结构，长边内半径为R25，长边外半径为R26，长边轴向长度为L25，短边内半径为R26，短边外半径为R27，短边轴向长度为L26。
在其中一个实施例中，所述三轴相对论速调管放大器还包括：第一反射腔、第二反射腔、第二群聚腔和提取腔，所述第一反射腔固定设在所述第一群聚腔和所述第二群聚腔之间，所述第二反射腔固定设在所述第二群聚腔和所述提取腔之间。
在其中一个实施例中，所述三轴相对论速调管放大器还包括：阴极座和阴极；
所述阴极是一个薄壁圆筒，套在所述阴极座的右端，其内半径为R1，长度为L1，壁厚为1mm-2mm；
所述阳极外筒由两段一体的圆柱筒组成，内半径分别为R2和R3；
所述内导体是一个圆柱体，半径为R4，长度为L2，其左侧端面与所述阳极外筒半径为R3的一段圆柱筒的左侧端面平齐，且其左侧端面和所述阴极右侧端面的轴向距离为L3；
R1等于电子束的半径，满足R4<R1<R3<R2。
在其中一个实施例中，所述第一反射腔包括相对设置的第一反射腔内筒和第一反射腔外筒；所述第一反射腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R10，宽度为L10，与所述第一群聚腔右侧端面的距离为L9；所述第一反射腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R11，宽度为L10；
所述第二反射腔包括相对设置的第二反射腔内筒和第二反射腔外筒；所述第二反射腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R14，宽度为L14，与所述第二群聚腔右侧端面的距离为L13；所述第二反射腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R15，宽度为L14；
满足R10<R11，R14<R15，L9的取值为工作波长λ的2-3倍，L10的取值为工作波长λ的四分之一，L13的取值为工作波长λ的2-2.5倍，L14的取值为工作波长λ的三分之一。
在其中一个实施例中，所述第一群聚腔包括相对设置的第一群聚腔内筒和第一群聚腔外筒；所述第一群聚腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R8，宽度为L8，与所述注入腔内筒右侧端面的距离为L7；所述第一群聚腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R9，宽度为L8；
所述第二群聚腔包括相对设置的第二群聚腔内筒和第二群聚腔外筒；所述第二群聚腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R12，宽度为L12，与所述第一反射腔右侧端面的距离为L11；所述第二群聚腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R13，宽度为L12；
所述提取腔包括相对设置的提取腔内筒和提取腔外筒，均呈双间隙圆环结构，两个间隙的内半径分别为R16和R18，外半径分别为R17和R19，宽度分别为L16和L18，轴向距离为L17；所述提取腔内筒固定设在所述内导体的外壁上，所述提取腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上；所述提取腔内筒、所述提取腔外筒与所述第二反射腔右侧端面的距离均为L15；
满足R8<R9，R12<R13，R16<R17，R18<R19，L7的取值为工作波长λ的2-5倍，L8的取值为工作波长λ的四分之一，L11的取值为工作波长λ的六分之一，L12取值为工作波长λ的四分之一，L15的取值为工作波长λ的六分之一，L16和L18的取值为工作波长λ的四分之一，L17的取值为工作波长λ的十分之一。
在其中一个实施例中，所述三轴相对论速调管放大器还包括：电子束收集极、锥波导、反馈环、微波输出口和注入波导；
所述电子束收集极是一个圆柱体，通过螺纹与所述内导体连接成一体，半径为R22，长度为L19，其左侧端面半径为R20处设有截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽的内半径为R21、外半径为R20、上底宽度为L21、下底宽度为L20；
在距离所述电子束收集极左侧端面L22处，所述阳极外筒202的内壁向外倾斜，该倾斜段与所述电子束收集极之间的锥形空间形成锥波导；所述锥波导的轴向长度为L23；
所述反馈环是一个金属圆环，固定设在距离所述电子束收集极左侧端面L23处，外半径为R23，宽度为L24；
所述微波输出口固定设在所述锥波导右侧，且由所述阳极外筒与所述电子束收集极之间的圆环形空间形成，内半径为R22，外半径为R24；
所述注入波导与所述注入腔外筒相连接；满足R20<R3<R22<R23<R24，L19的取值为为工作波长λ的2-5倍，L20的取值为为工作波长λ的1-2倍，L23的取值为为工作波长λ的1倍。
在其中一个实施例中，所述三轴相对论速调管放大器的尺寸为：R1＝24mm，R2＝40mm，R3＝28mm，R4＝22mm，R5＝19mm，R6＝30mm，R7＝32mm，R8＝19mm，R9＝31.4mm，R10＝16.5mm，R11＝33.5mm，R12＝19mm，R13＝31mm，R14＝15.5mm，R15＝34mm，R16＝18.5mm，R17＝31.4mm，R18＝18.8mm，R19＝31.4mm，R20＝27mm，R21＝23mm，R22＝29mm，R23＝31.5mm，R24＝35mm，R25＝48mm，R26＝90mm，R27＝150mm，L1＝20mm，L2＝169.7mm，L3＝26mm，L4＝13.5mm，L5＝4.5mm，L6＝13.5mm，L7＝5.2mm，L8＝4.7mm，L9＝49.2mm，L10＝5mm，L11＝6mm，L12＝6.1mm，L13＝28mm，L14＝9mm，L15＝4.5mm，L16＝4.6mm，L17＝2mm，L18＝4.9mm，L19＝50mm，L20＝25mm，L21＝11mm，L22＝4mm，L23＝21mm，L24＝3mm，L25＝175mm，L26＝65mm。
在其中一个实施例中，所述第一群聚腔工作于同轴TM011模式，所述第二群聚腔工作于同轴TM011模式，所述提取腔工作于同轴TM012模式。
上述永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，通过将注入腔外筒固定设在注入腔内筒和第一群聚腔之间，并优化注入腔的尺寸参数，缩短了注入腔与内导体左侧面的距离，从而减小了速调管放大器的轴向长度；而且，使用永磁体对速调管放大器进行封装，实现了TKA的模块化永磁封装。
附图说明
图1为一个实施例中永磁封装的TKA的结构示意图；
图2为一个实施例中永磁封装的TKA的阴极座、阳极外筒和注入腔的放大结构示意图；
图3为一个实施例中永磁封装的TKA的第一群聚腔和第二群聚腔的放大结构示意图；
图4为一个实施例中永磁封装的TKA的提取腔和电子束收集极的放大结构示意图；
图5为一个实施例中永磁封装的TKA的永磁导引系统位型结构示意图；
图6为一个实施例中永磁封装的TKA在不同强度均匀磁场下电子束的运动轨迹示意图；
图7为一个实施例中永磁封装的TKA的第一群聚腔前是否加载反射腔时的基波调制电流分布曲线图；
图8为一个实施例中永磁封装的TKA的永磁导引系统在电子束半径位置处产生的磁场强度分布曲线图；
图9为一个实施例中永磁封装的TKA的输出微波功率曲线图；
图10为一个实施例中永磁封装的TKA的输出微波的时频和时相曲线图。
附图编号：
阴极座201，阳极外筒202，阴极203，内导体204，注入腔205，注入腔内筒205a，注入腔外筒205b，第一群聚腔206，第一群聚腔内筒206a，第一群聚腔外筒206b，第一反射腔207，第一反射腔内筒207a，第一反射腔外筒207b，第二群聚腔208，第二群聚腔内筒208a，第二群聚腔外筒208b，第二反射腔209，第二反射腔内筒209a，第二反射腔外筒209b，提取腔210，提取腔内筒210a，提取腔外筒210b，电子束收集极211，凹槽211a，锥波导212，反馈环213，微波输出口214，注入波导215，左侧永磁体磁场216a，右侧永磁体磁场216b。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，在一个实施例中，包括：用于永磁封装的永磁体，以及设置在永磁体内的三轴相对论速调管放大器；三轴相对论速调管放大器包括：注入腔、内导体、第一群聚腔和阳极外筒；注入腔包括相对设置的注入腔内筒和注入腔外筒；注入腔内筒固定设在内导体上；注入腔外筒为同轴环形谐振腔，固定设在注入腔内筒和第一群聚腔之间，并且固定设在阳极外筒的内壁上；注入腔内筒的内半径为R5，宽度为L5，与内导体左侧端面的距离为L4；注入腔外筒的内半径为R6，外半径为R7，宽度为L6；注入腔外筒在正对注入腔内筒的位置设有宽度为L5的开口。
在本实施例中，满足R5<R6<R7，L5的取值为工作波长λ的四分之一，L6的取值为工作波长λ的四分之三。
永磁体包括左侧永磁体和右侧永磁体，形成左侧永磁体磁场和右侧永磁体磁场；左侧永磁体和右侧永磁体均采用铁氧体或钕铁硼等高磁性材料烧制而成，套在阳极外筒的外侧。通过选择合适的磁性材料和优化永磁体位型来实现电子束的传输导引。
上述永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，通过将注入腔外筒固定设在注入腔内筒和第一群聚腔之间，并优化注入腔的尺寸参数，缩短了注入腔与内导体左侧面的距离，从而减小了速调管放大器的轴向长度；而且，使用永磁体对速调管放大器进行封装，实现了TKA的模块化永磁封装。
优选地，在其中一个具体的实施例中，如图1至图5所示，包括：用于永磁封装的永磁体，以及设置在所述永磁体内的三轴相对论速调管放大器；所述三轴相对论速调管放大器包括：阴极座201、阳极外筒202、阴极203、内导体204、注入腔205、第一群聚腔206、第一反射腔207、第二群聚腔208、第二反射腔209、提取腔210、电子束收集极211、锥波导212、反馈环213、微波输出口214、注入波导215、左侧永磁体磁场216a和右侧永磁体磁场216b。
在本实施例中，永磁封装的紧凑型Ku波段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。沿轴线方向，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201的左端连接脉冲功率源的内导体，阳极外筒202的左端连接脉冲功率源的外导体。
阳极外筒202由两段一体的圆柱筒组成，内半径分别为R2和R3；阳极外筒202也可使用多个圆柱体通过带密封槽和定位台阶的法兰连接组成，阳极外筒202可以选择为不锈钢或无氧铜材质。
阴极203是一个薄壁圆筒，套在阴极座201的右端，其内半径为R1，长度为L1，壁厚为1mm-2mm。
内导体204是一个圆柱体，半径为R4，长度为L2，其左侧端面与阳极外筒202半径为R3的一段圆柱筒的左侧端面平齐，且其左侧端面和阴极203右侧端面的轴向距离为L3。内导体204也可使用多个圆柱体通过螺纹连接组成，内导体204可以选择为不锈钢或无氧铜材质。
注入腔205包括相对设置的注入腔内筒205a和注入腔外筒205b；注入腔内筒205a固定设在内导体204上，内半径为R5，宽度为L5，与内导体204左侧端面的距离为L4；注入腔外筒205b固定设在阳极外筒202的内壁上，内半径为R6，外半径为R7，宽度为L6；注入腔外筒205b在正对注入腔内筒205a的位置设有宽度为L5的开口。
第一群聚腔206包括相对设置的第一群聚腔内筒206a和第一群聚腔外筒206b；第一群聚腔内筒206a固定设在内导体204上，内半径为R8，宽度为L8，与注入腔内筒205a右侧端面的距离为L7；第一群聚腔外筒206b固定设在阳极外筒202内壁上，外半径为R9，宽度为L8。
第一反射腔207包括相对设置的第一反射腔内筒207a和第一反射腔外筒207b。第一反射腔内筒207a固定设在内导体204上，内半径为R10，宽度为L10，与第一群聚腔206右侧端面的距离为L9。第一反射腔外筒207b固定设在阳极外筒202的内壁上，外半径为R11，宽度为L10。
第二群聚腔208包括相对设置的第二群聚腔内筒208a和第二群聚腔外筒208b。第二群聚腔内筒208a固定设在内导体204上，内半径为R12，宽度为L12，与第一反射腔207右侧端面的距离为L11。第二群聚腔外筒208b固定设在阳极外筒202的内壁上，外半径为R13，宽度为L12。
第二反射腔209包括相对设置的第二反射腔内筒209a和第二反射腔外筒209b。第二反射腔内筒209a固定设在内导体204上，内半径为R14，宽度为L14，与第二群聚腔208右侧端面的距离为L13。第二反射腔外筒209b固定设在阳极外筒202的内壁上，外半径为R15，宽度为L14。
提取腔210包括相对设置的提取腔内筒210a和提取腔外筒210b，均呈双间隙圆环结构，两个间隙的内半径分别为R16和R18，外半径分别为R17和R19，宽度分别为L16和L18，轴向距离为L17。提取腔内筒210a固定设在内导体204的外壁上，提取腔外筒210b固定设在阳极外筒202的内壁上，提取腔内筒210a、提取腔外筒210b与第二反射腔209右侧端面的距离均为L15。
电子束收集极211是一个圆柱体，通过螺纹与内导体204连接成一体，半径为R22，长度为L19，其左侧端面半径为R20处设有截面为直角梯形的凹槽211a。凹槽211a的内半径为R21、外半径为R20、上底宽度为L21、下底宽度为L20。
在距离电子束收集极211左侧端面L22处，阳极外筒202的内壁向外倾斜，该倾斜段与电子束收集极211之间的锥形空间形成锥波导212。锥波导212为提取腔210和微波输出口214之间的过渡段，轴向长度为L23。
反馈环213是一个金属圆环，固定设在距离电子束收集极211左侧端面L23处，外半径为R23，宽度为L24。反馈环213用于调整提取腔210的谐振频率f和Q值。
微波输出口214固定设在锥波导212右侧，且由阳极外筒202与电子束收集极211之间的圆环形空间形成，内半径为R22，外半径为R24。
注入波导215为BJ120标准方形波导，可通过焊接或带密封槽和定位台阶的法兰与注入腔外筒205b相连接，用于将外注入微波信号引入注入腔205中，实现电子束的预调制。
左侧永磁体磁场216a和右侧永磁体磁场216b的纵向截面呈对称结构，永磁体磁钢截面呈“L”型结构，长边内半径为R25，长边外半径为R26，长边轴向长度为L25，短边内半径为R26，短边外半径为R27，短边轴向长度为L26。
在本实施例中，满足R5<R4<R1<R3<R6<R7<R2，R8<R4<R3<R9，R10<R12<R4<R3<R13<R11，R14<R16<R4<R21<R20<R3<R17<R15，R18<R4<R3<R19，R3<R22<R23<R24，R2<R25<R26<R27，其中，R1等于电子束的半径，电子束的半径由器件功率容量优化决定，R2根据器件的阻抗优化确定。
L5、L8、L10、L12、L16和L18的取值为工作波长λ的四分之一，L6的取值为工作波长λ的四分之三，L7的取值为工作波长λ的2-5倍，L9的取值为工作波长λ的2-3倍，L11和L15的取值为工作波长λ的六分之一，L13为工作波长λ的2-2.5倍，L14的取值为工作波长λ的三分之一，L17的取值为工作波长λ的十分之一，L19的取值为工作波长λ的2-5倍，L20的取值为工作波长λ的1-2倍，L23的取值为工作波长λ的1倍，L3根据器件的阻抗优化确定，L20和L21的差值可根据优化得到。
本实施例的工作过程是：阴极203在外接脉冲功率源的驱动下产生强流电子束，电子束在左侧永磁体磁场216a和右侧永磁体磁场216b的导引下依次经过注入腔205、第一群聚腔206、第一反射腔207、第二群聚腔208、第二反射腔209、提取腔210，最终被电子束收集极211的凹槽211a收集。注入波导215将外注入微波信号引入到注入腔205中，在注入腔205内激励起同轴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模式的第一群聚腔206和工作在TM011模式的第二群聚腔208加深，实现大于120％的电子束调制深度；被调制好的电子束在提取腔210中将其动能转给TM012模式的微波场，激励起高功率微波，然后通过微波输出口214向外输出；在第二群聚腔208和提取腔210的左侧分别设置了第一反射腔207和第二反射腔209，以抑制相邻腔体间的TEM模式能量泄露和高阶非旋转对称TE模式的自激振荡。
图6为本发明一个实施例中永磁封装的TKA在不同强度均匀磁场下电子束的运动轨迹示意图，其中，BZ为轴向磁场强度。二极管电压为340kV、电流为42kA、阻抗为81Ω。当轴向磁场强度为0.4T时，部分电子将会轰击漂移管壁造成电子损耗；当轴向磁场强度为0.45T时处于临界状态，IREB刚好能在漂移管中传输；当轴向磁场强度为0.5T时，IREB能在漂移管中良好的传输；这一结论证明了Ku波段TKA可在0.5T的磁场强度下工作。
图7为本发明一个实施例中永磁封装的TKA的第一群聚腔前是否加载反射腔时的基波调制电流分布曲线图，其中，Z为轴向长度，Fundamental harmonic current为基波调制电流，without reflecter为不加载反射腔，with reflecter为加载反射腔。可以看出，在第一群聚腔腔206前不加载反射腔时(即：利用注入腔205和第一群聚腔206间的TEM模正反馈能量耦合)，TKA器件基波调制电流峰值位置的轴向长度明显减小，同时基波调制电流峰值明显增大，更有利于器件实现高功率高效率的微波输出。
图8为本发明一个实施例中永磁封装的TKA的永磁导引系统在电子束位置处产生的磁场强度分布曲线图，其中，Z为轴向长度，B为磁场强度。轴向磁场均匀区长度约为20cm(-10～10cm)，均匀区内轴向磁场强度(Bz)不低于0.494T，径向磁场强度(Br)不高于0.02T，均匀区内轴向磁场强度不均匀度低于1.2％；20cm长的轴向磁场区域能有效保证IREB的高效传输，低于0.02T的径向磁场能有效保证IREB在长距离传输过程中的有效约束。
图9为本发明一个实施例中永磁封装的TKA的输出微波功率曲线图，其中，t为时间，Output power为输出微波功率，peak power为微波峰值功率，average power为微波平均功率。TKA器件输出微波功率峰值约为860MW，器件输出微波平均功率约为430MW；器件输出微波功率曲线在80ns范围内相对平稳，这证明器件工作稳定，无寄生模式竞争现象发生。
图10为本发明一个实施例中永磁封装的TKA的输出微波的时频和时相曲线图，其中，t为时间，Frequency为微波频率，output frequency为输出微波频率，output phase为输出微波相位抖动。可以看出，TKA器件工作稳定后，输出微波频率锁定在14.250GHz，输出微波相位抖动控制在±5°以内，满足相干功率合成要求。
上述永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，通过将注入腔外筒固定设在注入腔内筒和第一群聚腔之间，将注入波导前必需的模式转换器组装在注入腔和第一群聚腔之间，缩短了注入腔与内导体左侧面的距离，从而实现了速调管放大器的轴向长度的减小；
并且，未在第一群聚腔的左侧设置反射腔，而是通过利用注入腔和第一群聚腔之间的TEM模正反馈能量耦合来间接增强第一群聚腔的电子束调制能力，缩短了注入腔与第一群聚腔的距离，从而进一步实现了速调管放大器的轴向长度的减小；
而且，优化了阴极座、阳极外筒和注入腔的设计尺寸参数，利用在相同的注入电功率水平下，随着器件阻抗的增大，器件工作电流强度将会逐渐减小，空间电荷效应减弱，器件工作所需导引磁场强度降低的原理，使器件工作在高阻抗状态下，利用高阻抗二极管的低电流特性减弱空间电荷效应，实现了Ku波段TKA的低磁场强度(0.5T及以下)工作；
此外，还优化了TKA其他组成部件的设计尺寸参数，使用高磁性材料的永磁体对三轴相对论速调管放大器进行封装，优化设计永磁体位型，最终实现了Ku波段TKA器件的紧凑化设计和Ku波段TKA器件一百公斤以内的模块化永磁体封装。
永磁体磁场的使用一方面可以节省通电螺线管附属的供能和水冷系统所占用的空间，另一方面可以节约通电螺线管及其附属的供能和水冷系统的能耗，为HPM空间相干功率合成所需的模块化TKA提供一种可行的设计方案。
在其中一个实施例中，阴极座201和阳极外筒202采用无磁不锈钢材料，阴极203采用高密度石墨或碳纤维等材料，内导体204、电子束收集极211和注入波导215采用无磁不锈钢或无氧铜等金属材料，左侧永磁体磁场216a和右侧永磁体磁场216b采用铁氧体或钕铁硼等高磁性材料烧制而成，具体地，可以选择钕铁硼N50M。
在其中一个实施例中，第一群聚腔206的工作模式为同轴TM011模式，外观品质因素为780，用于对电子束进行初步调制；第一反射腔207用于抑制第二群聚腔208中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向第一群聚腔206的泄露；第二群聚腔208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；第二反射腔209用于抑制提取腔210中的TEM模式和高阶非旋转对称TE模式向第二群聚腔208的泄露；提取腔210的工作模式为同轴TM012模式，外观品质因素为55，用于束-波能量转换。
在其中一个实施例中，三轴相对论速调管放大器的尺寸为：R1＝24mm，R2＝40mm，R3＝28mm，R4＝22mm，R5＝19mm，R6＝30mm，R7＝32mm，R8＝19mm，R9＝31.4mm，R10＝16.5mm，R11＝33.5mm，R12＝19mm，R13＝31mm，R14＝15.5mm，R15＝34mm，R16＝18.5mm，R17＝31.4mm，R18＝18.8mm，R19＝314.mm，R20＝27mm，R21＝23mm，R22＝29mm，R23＝31.5mm，R24＝35mm，R25＝48mm，R26＝90mm，R27＝150mm，L1＝20mm，L2＝169.7mm，L3＝26mm，L4＝13.5mm，L5＝4.5mm，L6＝13.5mm，L7＝5.2mm，L8＝4.7mm，L9＝49.2mm，L10＝5mm，L11＝6mm，L12＝6.1mm，L13＝28mm，L14＝9mm，L15＝4.5mm，L16＝4.6mm，L17＝2mm，L18＝4.9mm，L19＝50mm，L20＝25mm，L21＝11mm，L22＝4mm，L23＝21mm，L24＝3mm，L25＝175mm，L26＝65mm。
使用螺线管封装的Ku波段三轴相对论速调管放大器的轴向尺寸可以达到258.1mm，而本实施例中，永磁封装的Ku波段紧凑型三轴相对论速调管放大器的轴向尺寸(即：L2)仅为169.7mm，轴向尺寸缩短达34％。
在本实施例中，进行二维仿真模拟，中心频率为14.25GHz，对应微波波长λ＝2.1cm，在二极管电压340kV、电流4.2kA、阻抗81Ω、注入微波功率15kW的条件下，器件输出微波功率为430MW、频率为14.25GHz，对应的增益为44.6dB、效率为32％，输出微波相位抖动控制在±5°以内；永磁体磁场采用径向充磁的钕铁硼N50M，磁场轴向均匀区长度为20cm，对应磁场强度为0.5T，磁钢总重量为90kg。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器包括：用于永磁封装的永磁体，以及设置在所述永磁体内的三轴相对论速调管放大器；
所述三轴相对论速调管放大器包括：注入腔、内导体、第一群聚腔和阳极外筒；
所述注入腔包括相对设置的注入腔内筒和注入腔外筒；所述注入腔内筒固定设在所述内导体上；所述注入腔外筒为同轴环形谐振腔，固定设在所述注入腔内筒和所述第一群聚腔之间，并且固定设在所述阳极外筒的内壁上；
所述注入腔内筒的内半径为R5，宽度为L5，与所述内导体204左侧端面的距离为L4；所述注入腔外筒的内半径为R6，外半径为R7，宽度为L6；所述注入腔外筒在正对所述注入腔内筒的位置设有宽度为L5的开口；L5的取值为工作波长λ的四分之一，L6的取值为工作波长λ的四分之三。
2.根据权利要求1所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述永磁体包括左侧永磁体和右侧永磁体，形成左侧永磁体磁场和右侧永磁体磁场；所述左侧永磁体和所述右侧永磁体均采用高磁性材料钕铁硼烧制而成，套在所述阳极外筒的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述左侧永磁体和所述右侧永磁体的纵向截面呈对称结构，永磁体磁钢截面呈“L”型结构，长边内半径为R25，长边外半径为R26，长边轴向长度为L25，短边内半径为R26，短边外半径为R27，短边轴向长度为L26。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述三轴相对论速调管放大器还包括：第一反射腔、第二反射腔、第二群聚腔和提取腔，所述第一反射腔固定设在所述第一群聚腔和所述第二群聚腔之间，所述第二反射腔固定设在所述第二群聚腔和所述提取腔之间。
5.根据权利要求4所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述三轴相对论速调管放大器还包括：阴极座和阴极；
所述阴极是一个薄壁圆筒，套在所述阴极座的右端，其内半径为R1，长度为L1，壁厚为1mm-2mm；
所述阳极外筒由两段一体的圆柱筒组成，内半径分别为R2和R3；
所述内导体是一个圆柱体，半径为R4，长度为L2，其左侧端面与所述阳极外筒半径为R3的一段圆柱筒的左侧端面平齐，且其左侧端面和所述阴极右侧端面的轴向距离为L3；
R1等于电子束的半径，满足R4<R1<R3<R2。
6.根据权利要求5所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，
所述第一反射腔包括相对设置的第一反射腔内筒和第一反射腔外筒；所述第一反射腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R10，宽度为L10，与所述第一群聚腔右侧端面的距离为L9；所述第一反射腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R11，宽度为L10；
所述第二反射腔包括相对设置的第二反射腔内筒和第二反射腔外筒；所述第二反射腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R14，宽度为L14，与所述第二群聚腔右侧端面的距离为L13；所述第二反射腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R15，宽度为L14；
满足R10<R11，R14<R15，L9的取值为工作波长λ的2-3倍，L10的取值为工作波长λ的四分之一，L13的取值为工作波长λ的2-2.5倍，L14的取值为工作波长λ的三分之一。
7.根据权利要求6所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，
所述第一群聚腔包括相对设置的第一群聚腔内筒和第一群聚腔外筒；所述第一群聚腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R8，宽度为L8，与所述注入腔内筒右侧端面的距离为L7；所述第一群聚腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R9，宽度为L8；
所述第二群聚腔包括相对设置的第二群聚腔内筒和第二群聚腔外筒；所述第二群聚腔内筒固定设在所述内导体上，内半径为R12，宽度为L12，与所述第一反射腔右侧端面的距离为L11；所述第二群聚腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上，外半径为R13，宽度为L12；
所述提取腔包括相对设置的提取腔内筒和提取腔外筒，均呈双间隙圆环结构，两个间隙的内半径分别为R16和R18，外半径分别为R17和R19，宽度分别为L16和L18，轴向距离为L17；所述提取腔内筒固定设在所述内导体的外壁上，所述提取腔外筒固定设在所述阳极外筒的内壁上；所述提取腔内筒、所述提取腔外筒与所述第二反射腔右侧端面的距离均为L15；
满足R8<R9，R12<R13，R16<R17，R18<R19，L7的取值为工作波长λ的2-5倍，L8的取值为工作波长λ的四分之一，L11的取值为工作波长λ的六分之一，L12取值为工作波长λ的四分之一，L15的取值为工作波长λ的六分之一，L16和L18的取值为工作波长λ的四分之一，L17的取值为工作波长λ的十分之一。
8.根据权利要求7所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述三轴相对论速调管放大器还包括：电子束收集极、锥波导、反馈环、微波输出口和注入波导；
所述电子束收集极是一个圆柱体，通过螺纹与所述内导体连接成一体，半径为R22，长度为L19，其左侧端面半径为R20处设有截面为直角梯形的凹槽；所述凹槽的内半径为R21、外半径为R20、上底宽度为L21、下底宽度为L20；
在距离所述电子束收集极左侧端面L22处，所述阳极外筒202的内壁向外倾斜，倾斜段与所述电子束收集极之间的锥形空间形成锥波导；所述锥波导的轴向长度为L23；
所述反馈环是一个金属圆环，固定设在距离所述电子束收集极左侧端面L23处，外半径为R23，宽度为L24；
所述微波输出口固定设在所述锥波导右侧，且由所述阳极外筒与所述电子束收集极之间的圆环形空间形成，内半径为R22，外半径为R24；
所述注入波导与所述注入腔外筒相连接；
满足R20<R3<R22<R23<R24，L19的取值为为工作波长λ的2-5倍，L20的取值为为工作波长λ的1-2倍，L23的取值为为工作波长λ的1倍。
9.根据权利要求8所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述三轴相对论速调管放大器的尺寸为：R1＝24mm，R2＝40mm，R3＝28mm，R4＝22mm，R5＝19mm，R6＝30mm，R7＝32mm，R8＝19mm，R9＝31.4mm，R10＝16.5mm，R11＝33.5mm，R12＝19mm，R13＝31mm，R14＝15.5mm，R15＝34mm，R16＝18.5mm，R17＝31.4mm，R18＝18.8mm，R19＝31.4mm，R20＝27mm，R21＝23mm，R22＝29mm，R23＝31.5mm，R24＝35mm，R25＝48mm，R26＝90mm，R27＝150mm，L1＝20mm，L2＝169.7mm，L3＝26mm，L4＝13.5mm，L5＝4.5mm，L6＝13.5mm，L7＝5.2mm，L8＝4.7mm，L9＝49.2mm，L10＝5mm，L11＝6mm，L12＝6.1mm，L13＝28mm，L14＝9mm，L15＝4.5mm，L16＝4.6mm，L17＝2mm，L18＝4.9mm，L19＝50mm，L20＝25mm，L21＝11mm，L22＝4mm，L23＝21mm，L24＝3mm，L25＝175mm，L26＝65mm。
10.根据权利要求5至9任一项所述的一种永磁封装的紧凑型Ku波段三轴相对论速调管放大器，其特征在于，所述第一群聚腔工作于同轴TM011模式，所述第二群聚腔工作于同轴TM011模式，所述提取腔工作于同轴TM012模式。
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