CN113658838A - 高频互作用电路及制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种高频互作用电路，涉及高频互作用电路技术领域。高频互作用电路包括：电子注通道，用于为电子注流动提供通道；群聚段，包括多个群聚段谐振腔，各所述群聚段谐振腔设置于所述电子注通道上与所述电子注通道联通，且各所述群聚段谐振腔按其各轴线在同一直线上进行排列，所述群聚段用于对所述电子注进行调制和群聚，形成增强电子注；输出段，包括输出段谐振腔，所述输出段谐振腔设置于所述群聚段的所述电子注输出侧的所述电子注通道上与所述电子注通道联通，所述输出段用于输出所述增强电子注包含的高频电磁信号能量。

Description

高频互作用电路及制备方法

技术领域

本公开涉及高频互作用电路技术领域，尤其涉及一种高频互作用电路及制备方法。

背景技术

毫米波-亚毫米波(MM/sub-MM waves)因分辨率高、信息容量大、能量密度高、抗干扰能力强等优点，在通信、探测、导航和成像等领域发挥着重要作用。近二十年来，随着毫米波-亚毫米波信号处理技术的日趋成熟，人们对工作在30GHz-300GHz频段的大功率电磁源的需求越来越大。速调管作为一种高功率微波器件，具有增益大、功率高、频谱纯度高等优点，在通信、雷达和高能加速器方面得到了广泛的应用，在投入使用的各种地面、空中和航天平台上，Ka波段(26.5GHz-40GHz)速调管占有很大的比例。

随着波长缩短，Ka波段速调管研制面临着部件几何尺寸缩小、高频损耗增加、热耗散平衡困难、功率容量下降、间隙打火增加、元件加工困难等技术问题，国际上对Ka波段速调管的研制多数集中在几kW以下的脉冲或连续波器件，目前见报道研制成功的Ka波段扩展互作用速调管(EIK)最大峰值功率输出在20kW左右。近年来，相关气象雷达、材料处理、深空探测、微波武器系统和计量技术对Ka波段速调管100kW及更高输出功率电平提出了新的需求，Ka波段速调管各个部件的研制都由此面临新的挑战。

速调管通常由电子枪、聚焦系统、高频互作用电路、输能装置、收集极以及钛泵等部件组成。其中，高频互作用电路由多个谐振腔组成的群聚段和输出段构成，其作用是对电子注进行调制和群聚，使电子注与高频场在轴向同步作用，实现高频信号的放大，其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。大功率速调管高频腔的设计通常采用带漂移头的单间隙重入式谐振腔，这种结构具有很高的特性阻抗，能够增强与电子注的耦合，功率容量和效率都很可观。

然而随着速调管峰值功率的进一步提升，器件需承受的电压升高、电流增大，同时由于尺寸共度效应，工作频率的提高将致使高频电路结构尺寸变小，这种情况下靠近输出端的群聚腔及输出腔的间隙电压可能超过单间隙重入式谐振腔的高频击穿电压，特别是输出腔更为严重，有可能使用双间隙都会发生打火，功率容量严重受限。为克服上述问题，近年来研究人员开展了广泛的研究，如在Ka波段采用扩展互作用电路来增大腔体尺寸、提高特性阻抗、提升整体功率容量等。不过，目前Ka波段分布作用速调管(EIK)通常采用多间隙休斯型耦合腔结构，其优势更多地体现在几百瓦～数千瓦量级输出功率下的带宽指标，而这种EIK耦合腔受工作机理限制，电子注是与负一次空间谐波相互作用，工作电压的提升受到一定限制，其峰值功率最高只能在几十千瓦量级。另一方面，应用于高能粒子加速器的高功率(HPM)速调管，通过合理设计单间隙重入式谐振腔群聚段、多周期行波输出电路(如盘荷波导等)等方式，能够克服输出腔、输出窗的高频击穿等障碍，在L、S、C和X等波段内获得数十乃至上百MW峰值功率输出。不过，上述技术手段多应用实现于分米波段和厘米波段，在毫米波-亚毫米波段尚未见实验报道。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

随着Ka波段速调管输出功率的进一步提升，目前常采用的多间隙休斯型耦合腔受工作机理限制，其耦合阻抗相对较小，特别是群聚段腔体的注波互作用有效程度偏低，难以为输出腔提供与高频场充分耦合的优质电子注，不太适应100kW功率量级要求。

在L、S、C和X等波段采用了单间隙谐振腔群聚段与多周期输出电路的高功率(HPM)速调管，其高频腔体的制备多采用单个圆柱形腔体分别加工、再级联焊接成整体的方法，这种工艺如应用于Ka波段，因腔体尺寸小，工件加工难度大，精度误差累积、焊接前后材料微小形变等因素均可能造成腔体与腔体之间的电子注通道对中轴心偏离，难以保证电子注通过率；另一方面，其具有多个间隙(间隙数常常大于5)的输出电路结构参数决定了当等比例缩尺到Ka波段后，可能导致非工作模式与工作模式之间频率间隔变小，从而产生寄生振荡，工作不稳定性增加，高频损耗增大，能量匹配转换效率降低，机械加工困难等，不容易在Ka波段达到期待的功率量级要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种高频互作用电路及制备方法，以缓解现有技术中互作用有效程度低等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种高频互作用电路，包括：

电子注通道，用于为电子注流动提供通道；

群聚段，包括多个群聚段谐振腔，各所述群聚段谐振腔设置于所述电子注通道上与所述电子注通道联通，且各所述群聚段谐振腔按其各轴线在同一直线上进行排列，所述群聚段用于对所述电子注进行调制和群聚，形成增强电子注包含的高频电磁信号能量；

输出段，包括输出段谐振腔，所述输出段谐振腔设置于所述群聚段的所述电子注输出侧的所述电子注通道上与所述电子注通道联通，所述输出段用于输出所述增强电子注。

在本公开实施例中，多个所述群聚段谐振腔均为单间隙重入式谐振腔。

在本公开实施例中，所述单间隙重入式谐振腔包括腔体、两漂移头；其中，所述腔体与所述电子注通道联通，所述两漂移头分别设置于所述腔体与所述电子注通道的联通处，所述两漂移头间具有漂移间隙。

在本公开实施例中，多个所述群聚段谐振腔中与所述输出段最近的群聚段谐振腔的腔体尺寸大于其他所述群聚段谐振腔的腔体尺寸。

在本公开实施例中，所述输出段谐振腔为用于Ka波段高峰值功率的多间隙耦合腔。

在本公开实施例中，所述多间隙耦合腔包括耦合槽、多个漂移间隙；其中，多个所述漂移间隙垂直于所述电子注通道的轴线排布，各所述漂移间隙与所述电子注通道联通，多个所述漂移间隙的相邻间隙之间具有公共壁。

在本公开实施例中，多个所述群聚段谐振腔中与所述输出段最远的群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔的各腔体壁上均连接有矩形波导，所述矩形波导用于激励电磁信号的输入和其放大后电磁信号的输出。

在本公开实施例中，多个所述群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔均独立安装有端盖。

在本公开实施例中，所述群聚段的群聚段谐振腔的数量为四个。

本公开还提供了一种用于制备上述中任一项所述高频互作用电路的高频互作用电路制备方法，包括：

在一长方体形状的腔体块上按设计的腔高尺寸以及相邻腔体的间隔长度，采用高速铣方式加工出所述群聚段的多个群聚段谐振腔；

在所述腔体块按照设计尺寸，采用高速铣方式加工出所述输出段谐振腔；

在所述腔体块按照设计尺寸，采用数控电火花线切割方式加工出一贯通多个所述群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔的所述电子注通道。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开高频互作用电路及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)高频互作用电路为一体式，降低了加工与焊接难度，还能够保证电子注通过率；以及

(2)采用单间隙谐振腔群聚段，提高了注波互作用有效程度；以及

(3)采用多间隙耦合腔输出段，保证电路工作稳定性的同时，提升输出功率容量。

附图说明

图1A为本公开实施例高频互作用电路的总体结构示意图。

图1B为本公开实施例高频互作用电路的图1A的剖视示意图。

图1C为本公开实施例高频互作用电路的图1B的局部放大示意图。

图2A为本公开实施例高频互作用电路的腔体块的结构示意图。

图2B为本公开实施例高频互作用电路的图2A剖视示意图。

图2C为本公开实施例高频互作用电路的图2A向视示意图。

图3A为本公开实施例高频互作用电路的管芯的结构示意图。

图3B为本公开实施例高频互作用电路的图3A向视示意图。

图4A为本公开实施例高频互作用电路的高频互作用腔体的结构示意图。

图4B为本公开实施例高频互作用电路的图4A的剖视示意图。

图5为本公开实施例高频互作用电路的高频互作用腔体的轴侧视图。

图6A为本公开实施例高频互作用电路的支撑件的结构示意图。

图6B为本公开实施例高频互作用电路的图6A的一剖视示意图。

图6C为本公开实施例高频互作用电路的图6A的另一剖视示意图。

图7A为本公开实施例高频互作用电路的腔体端盖的结构的仰视示意图。

图7B为本公开实施例高频互作用电路的腔体端盖的结构的主视示意图。

图8为本公开实施例高频互作用电路的在插入定位对中杆情况下的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

01 群聚段

02 输出段

1.1 第一腔

1.1a 第一腔漂移头

1.1b 第一腔漂移间隙

1.2 第二腔

1.2a 第二腔漂移头

1.2b 第二腔漂移间隙

1.3 第三腔

1.3a 第三腔漂移头

1.3b 第三腔漂移间隙

1.4 第四腔

1.4a 第四腔漂移头

1.4b 第四腔漂移间隙

1.5 第五腔

1.5b 第五腔漂移间隙

1.6 电子注通道

1.7 输入矩形波导

1.8 输出矩形波导

2.1 第一腔腔体

2.2 第二腔腔体

2.3 第三腔腔体

2.4 第四腔腔体

2.5a 第五腔上耦合槽

2.5b 第五腔下耦合槽

2.6 第五腔漂移间隙

2.7 公共壁

2.8 盲孔

3 管芯

3.1a 第一腔漂移头锥度角

3.1b 第一腔漂移间隙位置对应的圆柱段

3.2a 第二腔漂移头锥度角

3.2b 第二腔漂移间隙位置对应的圆柱段

3.3a 第三腔漂移头锥度角

3.3b 第三腔漂移间隙位置对应的圆柱段

3.4a 第四腔漂移头锥度角

3.4b 第四腔漂移间隙位置对应的圆柱段

4.1 成型的腔体块

4.2 成型的管芯

4.3a 铣出的第一腔间隙

4.3b 铣出的第二腔间隙

4.3c 铣出的第三腔间隙

4.3d 铣出的第四腔间隙

4.4 成型的电子注通道

5.1 矩形槽

5.2 电子注入口

5.3 电子注出口

5.4a 输入矩形波导

5.4b 输出矩形波导

6 定位对中杆

具体实施方式

本公开提供了一种高频互作用电路及制备方法，其高频互作用电路为一体式，降低了加工与焊接难度，还能够保证电子注通过率；采用单间隙谐振腔群聚段和多间隙耦合腔输出段，提高了注波互作用有效程度，有效扩大Ka波段速调管高频互作用电路的功率容量，提升高频结构的间隙耐压性能，提高注波互作用效率，保证工作稳定性，可克服现有的高频互作用电路的主要缺点和不足之处。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种高频互作用电路，如图1A至1C所示，高频互作用电路，包括：电子注通道1.6，用于为电子注流动提供通道；群聚段01，包括多个群聚段谐振腔，各群聚段谐振腔设置于电子注通道1.6上与电子注通道1.6联通，且各群聚段谐振腔按其各轴线在同一直线上进行排列，群聚段01用于对电子注进行调制和群聚，形成增强电子注；输出段02，包括输出段谐振腔，输出段谐振腔设置于群聚段01的电子注输出侧的电子注通道1.6上与电子注通道1.6联通，输出段用于输出增强电子注包含的高频电磁信号能量。

在本公开实施例中，多个群聚段谐振腔均为单间隙重入式谐振腔。

在本公开实施例中，如图1A至1C所示，单间隙重入式谐振腔包括腔体、两漂移头；其中，腔体与电子注通道1.6联通，两漂移头分别设置于腔体与电子注通道1.6的联通处，两漂移头间具有漂移间隙。

在本公开实施例中，多个群聚段谐振腔中与输出段最近的群聚段谐振腔的腔体尺寸大于其他群聚段谐振腔的腔体尺寸。

在本公开实施例中，适用于Ka波段100kW输出功率速调管的一体式高频互作用电路。一方面，通过由多个Ka波段单间隙谐振腔级联组成的群聚段，使电子注与高频场产生充分有效的强耦合，为输出腔提供具有较高基波电流分量的优质电子注；而后通过一个既有100kW以上高频功率输出能力又能够耐受如此高功率对应间隙电压的间隙数目合适的Ka波段多间隙耦合输出腔，在保证速调管的性能、稳定性和输出频谱质量的同时，使电子注功率得到释放和转换，从而实现百千瓦功率量级的要求。

其中，前(N-1)个谐振腔为单间隙重入式谐振腔，分别由腔体、一对漂移头、单个漂移间隙和轴向漂移通道组成，单间隙重入式谐振腔的工作模式是TM010模(介质谐振器)，其结构尺寸视谐振频率的设计需要而定；

第N个腔体结构为适用于Ka波段高峰值功率的多间隙耦合腔，这种耦合腔结构具有平面特征，由耦合槽、多个漂移间隙、间隙与间隙之间的内部公共壁和轴向漂移通道组成，其电路结构和间隙数目必须从间隙电压、能量损耗和耦合、匹配传输、工作模式与非工作模式的频率间隔大小判断其作为100千瓦量级速调管输出电路的综合优势而定。

如图1A至1C所示，本公开实施例高频互作用电路的总体结构示意图，用于Ka波段100kW脉冲速调管的一体式高频互作用电路结构的纵向剖面图所示，由5个高频腔体级联形成，各腔体之间同轴线。

在本公开实施例中，如图1A至1C所示，第一至第四腔1.1、1.2、1.3、1.4为单间隙重入式谐振腔群聚段，分别由腔体、一对漂移头、单个漂移间隙和轴向漂移通道组成，腔体工作模式均为TM010模，其高耦合阻抗能够增强耦合以提高输出功率和效率。其中，第四腔1.4因靠近输出腔，其腔体尺寸较其它三腔有所增大，第四腔漂移间隙1.4b距离也略有延长，以缓解器件结构尺寸缩小和间隙距离变短导致可能的放电打火和功率容量限制。

在本公开实施例中，输出段谐振腔为用于Ka波段高峰值功率的多间隙耦合腔，如图1A至1C所示，的第五腔1.5。

在本公开实施例中，多间隙耦合腔，如图1A至2C所示，的第五腔1.5包括耦合槽，耦合槽包括第五腔上耦合槽2.5a及第五腔下耦合槽2.5b、多个漂移间隙的第五腔漂移间隙1.5b；其中，多个漂移间隙垂直于电子注通道的轴线排布，各漂移间隙与电子注通道1.6联通，多个漂移间隙的相邻间隙之间具有公共壁2.7。

在本公开实施例中，考虑到Ka波段高峰值功率输出和尺寸共度效应，第五腔的设计不同于传统速调管采用单间隙或双间隙作为输出电路，否则将会因间隙电压过高出现高频放电打火，也不能像HPM速调管选择数目过多的多间隙耦合腔，以避免腔体个数和工作模式数量的增多而发生腔体寄生振荡，引起不稳定性。

在本公开实施例中，通过比较不同输出电路结构的特点，从间隙电压、能量损耗和耦合、匹配传输、工作模式与非工作模式的频率间隔大小和结构可实现等不同方面判断电路作为百千瓦量级速调管输出电路的综合优势，同时基于注波互作用软件及群聚腔几何和电参数与不同输出电路结构和电参数相结合进一步计算优化，在实现速调管设计要求性能指标且工程可实现条件下，选择确定第五腔结构为三间隙梯形线耦合腔。

在本公开实施例中，如图1A至1C所示，第五腔1.5结构由第五腔上耦合槽2.5a及第五腔下耦合槽2.5b、三个漂移间隙的第五腔漂移间隙1.5b、间隙之间的公共壁2.7和轴向漂移通道组成。腔体工作在π模，间隙宽度取0.72mm(间隙渡越角＜π/2)，间隙周期距离1.35mm(＜π/βe，其中βe为电子注纵向传播常数)；与杂模之前的频率间隔大于3GHz，不会引起振荡；在1.4I0(I0为基波电流)群聚电流输入条件下，能够获得输出功率大于100kW、效率大于40％、增益大于42dB仿真结果，间隙处的最大高频场强模拟数值为25.8kV/mm，低于速调管短脉冲条件下的高频击穿实验数据，满足设计与使用需求。

在本公开实施例中，如图1A至1C所示，多个群聚段谐振腔中与输出段最远的群聚段谐振腔连接有输入矩形波导1.7及输出段谐振腔的各腔体壁上均连接有输出矩形波导1.8，输入矩形波导1.7用于激励电磁信号的输入和输出矩形波导1.8其放大后电磁信号的输出。

在本公开实施例中，多个群聚段谐振腔及输出段谐振腔均独立安装有端盖。

相邻腔体之间具有满足设计要求的长度不一的多段间隔。

间隔内具有轴向漂移通道，与腔体的轴向漂移通道之间相连通，用于提供电子注通道1.6。

在第一腔1.1与第五腔1.5的腔体壁上分别接有矩形波导，用于激励电磁信号的输入和放大后电磁信号的输出。

如图1A至1C所示，结合图7A至7B所示的端盖示意图，各个腔均独立安装有端盖，其作用一是构成密封的腔体空间，二是通过调整端盖探入腔体的深度使腔体频率达到合适的范围要求。

根据本公开另一方面，如图1A至2C所示，提供一种用于制备上述中任一项高频互作用电路的高频互作用电路制备方法，包括：

在一长方体形状的腔体块上按设计的腔高尺寸以及相邻腔体的间隔长度，加工出群聚段01的多个群聚段谐振腔；

在腔体块按照设计尺寸加工出输出段谐振腔；

在腔体块按照设计尺寸加工出一贯通多个群聚段谐振腔及输出段谐振腔的电子注通道1.6。

在本公开实施例中，考虑到Ka波段高频互作用电路中的电子注通道直径小、传输距离与电子注通道直径的比值大以及零部件机械加工精度限制，本发明涉及的高频腔体采用一体式设计加工制备，各个腔体空间是在一整块材料上一次性加工完成，避免散腔串接，电子注通道也系一次性贯通成型，而非多段加工再拼接组成，能够很好地消除高频电路在零件配合、连接、定位和对中等过程可能造成的电子注通道轴心偏离，具有高的工程可实现性。

在本公开实施例中，由于单间隙谐振腔群聚段，其可以增强电子注与波之间的相互作用；由于合适间隙数目的多间隙耦合输出腔，其能分担高频间隙电场，避免寄生振荡，并扩升功率容量。本发明通过在Ka波段合理结合单间隙和多间隙的利用，提出一种具有工程可实现性的适用于100kW脉冲功率量级速调管一体式高频互作用电路及制备方式，

在本公开实施例中，如图2A至4B所示，高频互作用电路其实际结构是通过将金属按照特定顺序多次机械加工、组合和焊接实现，主要包含：腔体块、管芯、支撑体和端盖等四部分，其一体式加工制备分为以下几步：

1)在一长方体形状的腔体块(长度为所有高频腔体和漂移管合起来的总长)上按设计的腔高尺寸以及相邻腔体的间隔长度加工对应的前(N-1)个单间隙群聚腔空间(不包括漂移头、漂移间隙和轴向漂移通道)；第N个多间隙耦合腔同样位于此腔体块上，按照设计尺寸分别加工耦合槽数目确定的漂移间隙以及间隙与间隙之间的内部公共壁(但不加工轴向漂移通道)。将前述腔体块在保证不受挤压变形的情况下沿轴向中心按管芯的外径和长度打一盲孔；

2)加工管芯一根，其最大直径为漂移头的最大直径，其最小直径为腔间隙的外径，其总长度对应于腔体块第一腔侧的端面至第(N-1)腔与第N腔的间隔之间适当位置，在管芯上对应于第一腔至第(N-1)腔的间隙位置加工好各腔所需的漂移头锥度和与间隙距离对应的圆柱段，管芯的最大直径尺寸为负公差以便于与腔体块装配焊接，在最大直径均匀段开焊料槽。

3)将管芯焊料槽中放入焊料并插入腔体块盲孔中，管芯尾侧端面落在盲孔底面，按模具定位装配焊接成一体；焊好后按照设计和管芯已经定位间隙对应的圆柱段铣出对应的(N-1)处间隙，然后在保证不变形的条件下沿轴向中心按电子注通道直径打一通孔，通孔长度与腔体块的总长度相同，于是便加工出了电子注通道是一次性加工的高频互作用腔体。

4)为了增加高频电路的机械强度和整体性，在一个金属圆柱体上铣一个矩形槽，槽的宽和长与一体式高频腔体相同，深度正好让电子注通道的轴线与圆柱体轴线一致，并在圆柱体两侧分别加工同轴的电子注入口和电子注出口，矩形槽底部的特定位置加工出两条矩形波导空间，这样便形成高频互作用腔体的支撑体。

5)加工好各腔的端盖。

6)将高频互作用腔体装进支撑体的矩形槽内，在支撑体两侧插入定位对中杆6并保持杆处于自由滑配状态下，加入焊料将高频互作用腔体和支撑体在不影响各腔特性的基础上焊成一体。检测焊接后两端对中杆是否保持滑配状态，如果是则安装每个腔的端盖，测量并调谐使各腔谐振在设计频率后，将端盖锁定。加焊料在保证真空密封和对中的条件下焊接端盖，焊后检查真空和对中是否符合要求。至此，一体式高频互作用电路制备完毕。

具体地，如图2A至4B所示，上述Ka波段高频互作用电路，其实际结构是通过将金属按照特定顺序多次机械加工、组合和焊接实现，主要包含：腔体块、管芯、支撑体和端盖等四部分，其一体式加工制备分为以下几步：

1)在一长方体形状的腔体块(长度为所有高频腔体和漂移管合起来的总长)上按设计的腔高尺寸以及相邻腔体的间隔长度，采用高速铣方式，对应加工前4个单间隙群聚腔空间2.1、2.2、2.3、2.4(不包括漂移头、漂移间隙和轴向漂移通道)；第五腔三间隙梯形线耦合腔同样位于此腔体块上，按照设计尺寸，采用高速铣方式，分别加工上下耦合槽2.5a、2.5b、数目确定的漂移间隙2.6以及间隙与间隙之间的内部公共壁2.7(但不加工轴向漂移通道)。将前述腔体块在保证不受挤压变形的情况下，采用数控电火花线切割方式，沿轴向中心按管芯的外径和长度加工一盲孔2.8。腔体块的结构示意图如图2A至2C所示。

2)车削管芯3一根，其最大直径为漂移头的最大直径，其最小直径为腔间隙的外径，其总长度对应于腔体块第一腔侧的端面至第四腔与第五腔间隔之中，在管芯上精确对应于第一腔至第四腔的间隙位置，车削出各腔所需的漂移头锥度3.1a、3.2a、3.3a、3.4a和与间隙位置对应的圆柱段3.1b、3.2b、3.3b、3.4b(加工精度控制在±0.01mm)，管芯的最大直径尺寸为负公差以便于与腔体块装配焊接，在最大直径均匀段开焊料槽。管芯的结构示意图如图3A至3B所示。

3)将管芯焊料槽中放入焊料并插入腔体块盲孔2.8中，管芯尾侧端面落在盲孔2.8底面，按模具定位装配焊接成一体；焊好后，测量管芯上的各处漂移头锥度3.1a、3.2a、3.3a、3.4a和间隙距离对应的圆柱段3.1b、3.2b、3.3b、3.4b的位置与腔体块的各腔体空间是否精准吻合，如果是则按照设计和管芯已经定位间隙对应的圆柱段铣出对应的4处间隙，然后在保证不变形的条件下沿轴向中心按电子注通道直径，利用电火花小孔机加工一条贯穿所有腔体(包括输出腔)的通孔，于是便制备出是一次性成型的电子注通道4.4、成型的腔体块4.1、成型的管芯4.2同时兼具各腔漂移头及间隙结构特征的高频互作用腔体，本实施例中电子注通道直径为1.1mm，长度为31.9mm，铣出第一至第四腔的间隙4.3a、4.3b、4.3c、4.3d距离分别为0.53mm、0.64mm、0.65mm、0.75mm，第五腔的间隙为0.72mm，高频互作用腔体结构示意图如图4A至5所示。

4)如图6A至6C所示，为了增加高频电路的机械强度和整体性，在一个金属圆柱体上铣一个矩形槽5.1，槽的宽和长与一体式高频腔体相同，深度正好让电子注通道的轴线与圆柱体轴线一致，并在圆柱体两侧分别加工同轴的电子注入口5.2和电子注出口5.3，矩形槽底部对应第一腔和第五腔外壁位置铣出两条矩形波导空间(BJ320标准矩形波导)，形成输入矩形波导5.4a及输出矩形波导5.4b，这样就形成高频互作用腔体的支撑体，其结构示意图如图8所示。

5)加工好各腔的端盖，因各腔腔盖结构雷同，仅与腔体的配合尺寸上略有差异，图8仅示出第3腔腔盖结构示意图。

6)将高频互作用腔体装进支撑体的矩形槽内，在支撑体两侧插入定位对中杆6，如图8所示，并保持杆处于自由滑配状态下，加入焊料将高频互作用腔体和支撑体在不影响各腔特性的基础上焊成一体。检测焊接后两端对中杆是否保持滑配状态，如果是则安装每个腔的端盖，测量并调谐使各腔谐振在设计频率后，将端盖锁定。加焊料在保证真空密封和对中的条件下焊接端盖，焊后检查真空和对中是否符合要求。至此，一体式高频互作用电路制备完毕。

根据本公开另一方面，如图1A至1C所示，提供一种根据上述任一项高频互作用电路的高频互作用电路应用，包括：

将输入信号输入至多个群聚段谐振腔中与输出段最远的群聚段谐振腔；

通过多个群聚段谐振腔对电子注进行调制和群聚，形成增强电子注；

通过输出段接收增强电子注，输出段谐振腔对增强电子注包含的高频电磁信号能量进行输出。

具体地，如图1A至1C所示，本公开通过Ka波段单间隙和多间隙的合理结合实现了Ka波段电磁波百千瓦功率的放大、承受和匹配耦合稳定输出，实现步骤如下：

步骤1：输入信号从第1腔外侧的矩形波导aa输入，激励起第1腔中的高频电场工作模式，对电子注产生速度调制；电子注通过第1腔与第2腔之间的漂移通道后，发生第一次群聚，含有了输入高频电场的基波分量；

步骤2：电子注经过第2个谐振腔间隙，激励起高频感应电流，并在第2腔间隙上建立起比第1腔更高的高频电场，该高频电场反过来对电子注产生更大的速度调制，从而在第2腔和第3腔形成更强的群聚；

步骤3：电子注依次通过第3腔和第4腔，重复上述速度调制和群聚过程，到达第5腔入口时，形成了充分群聚的增强优质电子注；

步骤4：含有很高基波分量的群聚电子注通过输出腔间隙，建立起很高的高频电场，并将其部分动能转换成高频能量，由矩形波导bb输出，完成毫米波能量的传递和放大。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开高频互作用电路及制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种高频互作用电路及制备方法，本发明通过Ka波段有效结合单间隙群聚谐振腔和多间隙耦合输出腔，合理设置谐振腔的结构、位置和输出腔的间隙数目以及工作模式，结合一体式高频互作用电路的加工制备，有效解决了Ka波段电子注通过率增加、电磁波的传输放大、高频腔体百千瓦功率的承受和匹配耦合稳定输出的设计思想和工程实现。为了克服常规波段行波输出电路的相对不稳定性和EIK分布作用电路耦合阻抗相对低的缺点，本发明通过单间隙群聚腔的谐振，其可以增强电子注与波之间工作模式的相互作用；通过间隙数目合适的多间隙耦合输出腔，既可以分担高频工作电压，提高间隙耐压性能，同时合理抑制寄生模式振荡，多个腔的耦合又使得内表面积增大，从而提升功率容量，实现Ka波段百千瓦高功率稳定输出。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频互作用电路，包括：

电子注通道，用于为电子注流动提供通道；

群聚段，包括多个群聚段谐振腔，各所述群聚段谐振腔设置于所述电子注通道上与所述电子注通道联通，且各所述群聚段谐振腔按其各轴线在同一直线上进行排列，所述群聚段用于对所述电子注进行调制和群聚，形成增强电子注；

输出段，包括输出段谐振腔，所述输出段谐振腔设置于所述群聚段的所述电子注输出侧的所述电子注通道上与所述电子注通道联通，所述输出段用于输出所述增强电子注包含的高频电磁信号能量。

2.根据权利要求1所述的高频互作用电路，其中，多个所述群聚段谐振腔均为单间隙重入式谐振腔。

3.根据权利要求2所述的高频互作用电路，其中，所述单间隙重入式谐振腔包括腔体、两漂移头；其中，所述腔体与所述电子注通道联通，所述两漂移头分别设置于所述腔体与所述电子注通道的联通处，所述两漂移头间具有漂移间隙。

4.根据权利要求3所述的高频互作用电路，其中，多个所述群聚段谐振腔中与所述输出段最近的群聚段谐振腔的腔体尺寸大于其他所述群聚段谐振腔的腔体尺寸。

5.根据权利要求1所述的高频互作用电路，其中，所述输出段谐振腔为用于Ka波段高峰值功率的多间隙耦合腔。

6.根据权利要求5所述的高频互作用电路，其中，所述多间隙耦合腔包括耦合槽、多个漂移间隙；其中，多个所述漂移间隙垂直于所述电子注通道的轴线排布，各所述漂移间隙与所述电子注通道联通，多个所述漂移间隙的相邻间隙之间具有公共壁。

7.根据权利要求1所述的高频互作用电路，其中，多个所述群聚段谐振腔中与所述输出段最远的群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔的各腔体壁上均连接有矩形波导，所述矩形波导用于激励电磁信号的输入和其放大后电磁信号的输出。

8.根据权利要求1所述的高频互作用电路，其中，多个所述群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔均独立安装有端盖。

9.根据权利要求1至8所述的高频互作用电路，其中，所述群聚段的群聚段谐振腔的数量为四个。

10.一种用于制备权利要求1至9中任一项所述高频互作用电路的高频互作用电路制备方法，包括：

在一长方体形状的腔体块上按设计的腔高尺寸以及相邻腔体的间隔长度，采用高速铣方式加工出所述群聚段的多个群聚段谐振腔；

在所述腔体块按照设计尺寸，采用高速铣方式加工出所述输出段谐振腔；

在所述腔体块按照设计尺寸，采用数控电火花线切割方式加工出一贯通多个所述群聚段谐振腔及所述输出段谐振腔的所述电子注通道。

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