CN113764242B - 一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器，所述相对论速调管放大器包括：矩形波导、波导转换器、扇形波导、输入腔、中间腔、输出腔和圆波导，所述矩形波导设置于管状导体结构末端，并经波导转换器与扇形波导连接，所述输入腔设置于所述扇形波导的末端，且所述扇形波导设置于管状导体结构外侧并与所述管状导体结构共形，所述扇形波导在输入腔处与输入腔发生耦合并产生角向均匀TM01模式电磁场；输入腔、中间腔和输出腔间设有若干用于传输电子流的管状通道连通；所述输出腔经输出模式变换器与设置于管状导体结构末端的圆波导连接。通过本发明的结构设置，可以实现相对论速调管放大器的小型化，为推动器件装备化奠定基础。

Description

一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，尤其是一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器。
背景技术
高功率微波是指峰值功率大于100MW，频率范围1GHz-100GHz的电磁波。由于高功率微波技术在众多领域中有重要的应用前景吸引了研究者的广泛关注，并得到了快速的发展。各类高功率微波源相继被研制，由于相对论速调管具有稳频稳相、高增益、高峰值功率、高效率等特点，在新型加速器、高功率雷达、新型通信系统等领域都有广泛的应用，使其成为非常有潜力的一类高功率微波源。为了适应高功率微波系统发展需要，相对论速调管放大器小型化、可靠性等方面亟需突破。
相对论速调管放大器输入耦合结构是比不可少的部件，传统的输入耦合结构采用矩形波导在谐振腔径向直接耦合。矩形波导在器件外部有两种处理方式，一种是将磁场分两段，矩形波导从两节磁体之间穿过在磁场外部连接微波种子源；另一种是矩形波导采用折弯处理，沿着器件外部传输到磁场末端再连接微波种子源。两节磁体方式导致磁系统设计复杂，磁场位型存在波动导致器件束波互作用效率降低。矩形波导折弯在器件外部传输方式大大增加了横向尺寸，聚焦磁系统内径将随着增大，无法实现小型化。
为了满足相对论速调管放大器向小型化、模块化方向发展的需求，发展具相对论速调管放大器的新型输入耦合装置已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于，为解决的技术问题是解决相对论速调管放大器输入耦合装置小型化问题，提供了一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器，所述相对论速调管放大器包括：矩形波导、波导转换器、扇形波导、输入腔、中间腔、输出腔和圆波导，其中，所述输入腔、中间腔和输出腔由依次分布于管状导体结构中的若干环形腔体构成；所述矩形波导设置于管状导体结构末端，并经波导转换器与扇形波导连接，所述扇形波导设置于管状导体结构外侧并与所述管状导体结构共形，所述输入腔设置于所述扇形波导的末端，所述扇形波导在输入腔处与输入腔发生耦合并产生角向均匀TM01模式电磁场；所述输入腔靠近于所述管状导体结构首端设置，各中间腔设置于输入腔与输出腔之间，且所述输入腔、中间腔和输出腔间设有若干用于传输电子流的管状通道连通；所述输出腔经输出模式变换器与设置于管状导体结构末端的圆波导连接。
根据一个优选的实施方式，所述扇形波导的圆心角取值范围基于扇形波导的截止频率条件和单模传输条件确定。
根据一个优选的实施方式，所述扇形波导包括第一扇形波导段和第二扇形波导段，所述第一扇形波导段与所述输入腔相接，且所述第一扇形波导段的厚度小于第二扇形波导段的厚度。所述第一扇形波导段的厚度控制输入腔的外观品质因数。
根据一个优选的实施方式，所述第一扇形波导段的长度调节输入腔激励模式的角向电场均匀性。
根据一个优选的实施方式，所述波导转换器通过垂直连接方式实现矩形波导与扇形波导的过渡。
根据一个优选的实施方式，所述矩形波导的窄边与所述扇形波导的厚度尺寸相同，经所述波导转换器耦合将矩形波导的TE10模式微波过渡为扇形波导TE11模式微波。
根据一个优选的实施方式，所述输入腔与输出腔之间设有3个中间腔。
根据一个优选的实施方式，所述管状通道末端设有收集极。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，各非冲突选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本装置由于采用了与管状导体外侧共形的扇形波导大大减小了器件的横向尺寸，所以实现了小型化相对论速调管放大器，同时输入耦合系统采用了共形的扇形波导，TE11模式与输入腔谐振腔内TM01模式在角向具有相同分布，所以在输入腔内容易产生角向均匀的TM01模式，可以提高输入微波吸收效率，抑制器件非对称模式自激振荡。
附图说明
图1是本发明相对论速调管放大器以180°角进行剖视的展开示意图；
图2是图1中C区域的放大示意图；
图3是图1中A-A截面示意图；
图4是图1中B-B截面示意图；
图5是本发明相对论速调管放大器产生的微波功率曲线；
其中，1-矩形波导，2-波导转换器，3-第二扇形波导段，4-第一扇形波导段，5-输入腔，6-中间腔，7-输出腔，8-输出模式变换器，9-圆波导，10-聚焦磁系统。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1至图5所示，本发明公开了一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器，所述相对论速调管放大器包括：矩形波导1、波导转换器2、扇形波导、输入腔5、中间腔6、输出腔7和圆波导9。
优选地，所述输入腔5、中间腔6和输出腔7由依次分布于管状导体结构中的若干环形腔体构成。
进一步地，所述输入腔5靠近于所述管状导体结构首端设置，各中间腔6设置于输入腔5与输出腔7之间。优选地，所述输入腔5与输出腔7之间设有3个中间腔6。
输入腔5、中间腔6和输出腔7间设有若干用于传输电子流的管状通道连通。且所述管状通道末端设有收集极。所述管状通道可以为漂移管结构。
优选地，所述矩形波导1设置于管状导体结构末端，并经波导转换器2与扇形波导连接。
优选地，所述波导转换器2通过垂直连接方式实现矩形波导1与扇形波导的过渡。进一步地，所述矩形波导1的窄边与所述扇形波导的厚度尺寸相同，经所述波导转换器2耦合将矩形波导1的TE10模式微波过渡为扇形波导的TE11模式微波。所述矩形波导1到扇形波导的转换采用垂直直接过渡方式，结构简单，反射系数小。
优选地，所述输入腔5设置于所述扇形波导的末端，且所述扇形波导设置于管状导体结构外侧并与所述管状导体结构共形，所述扇形波导在输入腔5处与输入腔5发生耦合并产生角向均匀TM01模式电磁场。
并且，采用了共形的扇形波导大大减小了波导器件的横向尺寸，从而实现了小型化相对论速调管放大器，同时输入耦合系统采用了共形的扇形波导，TE11模式与输入腔5谐振腔内TM01模式在角向具有相同分布，从而在输入腔5内容易产生角向均匀的TM01模式，可以提高输入微波吸收效率，抑制器件非对称模式自激振荡。
优选地，扇形波导的圆心角取值范围基于扇形波导的截止频率条件和单模传输条件确定。具体地，所述的扇形波导能够传输工作频率f，扇形波导的圆心角(Ang)满足两个条件，一、截止频率条件决定了扇形波导的圆心角大于Ang1；所述的扇形波导仅能传输基模(TE11模式)，单模传输条件决定了扇形波导的角度小于Ang2，因此扇形波导的圆心角取值为Ang1<Ang<Ang2范围内的任意值。其中，Ang1的大小由截止频率条件决定，Ang2的大小由单模传输条件决定。
根据一个优选的实施方式，所述扇形波导包括第一扇形波导段4和第二扇形波导段3，所述第一扇形波导段4与所述输入腔5相接，且所述第一扇形波导段4的厚度小于第二扇形波导段3的厚度。
具体地，第一扇形波导段4径向厚度(Ro-Ri)决定输入腔5的外观品质因数，第一扇形波导段4的长度(L)决定了输入腔激励模式角向均匀性。第二扇形波导段3的厚度(Rw-Ri)大于一扇形波导段4，决定了器件横向尺寸增加量；所述第二扇形波导段3使得器件直径增加约2-2.5倍的扇形波导厚度，即是，通过采用扇形波导结构，使得本发明相对论调速管放大器的器件横向尺寸远小于传统矩形波导直接激励输入腔时的器件尺寸。
优选地，所述输出腔7经输出模式变换器8与设置于管状导体结构末端的圆波导9连接。输出微波在输出模式变换器8中将TEM模式转换到圆波导工作模式(TE11或TM01模式)，最终通过圆波导9和辐射天线辐射到自由空间中。
本发明装置的工作原理为：
微波种子源输出的高频信号馈入到矩形波导1中，矩形波导1经过波导转换器2将高频信号转换为扇形波导TE11模式传输。TE11模式微波在共形的扇形波导中传输进入输入腔5，在输入腔5激励产生角向均匀TM01模式。阴极发射的直流电子束在聚焦磁系统10产生的轴向磁场的约束下穿过输入腔5间隙时，在输入腔5内TM01模式的电场作用下速度受到调制，速度受到调制的电子束进入输入腔5后的漂移管得到密度群聚。初步调制后电子束在多个中间腔6中进一步进行速度调制，同时发生密度调制，经过一系列的调制电子束调制电流深度放大，调制比能达到100％及以上，最终深度调制后电子束在输出腔7中产生感应电流，感应电流在输出腔7中建立高频场，高频场的能量通过输出腔7侧壁上的耦合孔耦合到输出同轴波导中，从而把电子束的部分能量转变为微波能量。且，电子束穿过输出腔7后轰击到收集极上，将自身剩余能量转化为热能。输出微波在输出模式变换器8中将TEM模式转换到圆波导工作模式(TE11或TM01模式)，最终通过圆波导和辐射天线辐射到自由空间中。
本发明相对论速调管放大器中将作为输入波导的矩形波导设置于装置末端，从而使得共形输入耦合系统与聚焦磁系统10无交集，有利于聚焦磁系统10一体化工程实现和聚焦系统磁场位型均匀度；且，通过共形输入耦合系统的设置(共形的扇形波导设置)，大大降低了器件横向尺寸，使得聚焦磁系统10内径减小；所述聚焦磁系统10内径减小导致外径成平方倍减小，所以聚焦磁系统10重量大大降低，实现了轻小型化。
相对论速调管放大器横向过模比可以任意选择，通过调节共形输入耦合结构实现相对论速调管放大器输入腔5模式角向均匀激励。共形输入耦合能够将外部种子源信号馈入输入腔5实现微波对电子束调制。本发明器件互作用类型可以是同轴谐振腔，同轴多注谐振腔，圆柱型谐振腔。
本发明的实施例为：
选择一个S波导同轴多注相对论速调管放大器，其中漂移管中心半径为42.5mm，漂移管半径为8.5mm，角向均匀分布14个漂移管，输入腔5的内外半径为69mm,19.5mm，输入腔5间隙为18mm，扇形波导角度60°，第一段扇形波导长度44mm，第二段扇形波导长度随器件长度变化而变化，第一段扇形波导厚度2.5mm，第二段扇形波导厚度5mm，矩形输入波导宽边72.14mm，矩形输入波导窄边5mm，矩形到扇形波导转换2器采用倒倾角5mm，输入腔5后的漂移管长度为92.5mm，第一中间腔6内外半径为64.5mm、23.5mm，第一中间腔6的间隙宽度为15mm，第一中间腔6腔长32.1mm，第一中间腔6后漂移管长度为76.5mm，第二中间腔6内外半径为64.5mm、23.5mm，第二中间腔6的间隙宽度为13.5mm，第二中间腔6腔长26.71mm，第二中间腔6后漂移管长度为101.2mm，第三中间腔6内外半径为64.5mm、23.5mm，第三中间腔6的间隙宽度为13.0mm，第三中间腔6腔长21.66mm，第三中间腔6后漂移管长度为112.8mm，输出腔7内外半径为64.5mm、23.5mm，输出腔7腔的间隙宽度为14mm，输出腔7腔长30.75mm，输出腔7腔后漂移管长度为40mm，输出腔7耦合口厚度5mm，长度90mm，输出模式变换器长度155mm，输出变换段后的圆波导半径为49mm，输出变换器内导体外径为65.6，输出变换器内导体前端长度42.5mm。
电子束电压为525kV，电子束电流4.62kA。通过注入1.4kW的高频信号经过输入腔5、第一中间腔6、第二中间腔6、第三中间腔6的调制后基波电流深度(基波电流幅值与电子束直流电流之比)达到135％。最终经过输出腔7作用后产生微波功率大于700MW，输出微波频率为S波段，器件的饱和增益约58dB，效率30％，器件横向尺寸仅在无输入耦合基础上增加5mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种共形输入耦合小型化相对论速调管放大器，其特征在于，所述相对论速调管放大器包括：矩形波导(1)、波导转换器(2)、扇形波导、输入腔(5)、中间腔(6)、输出腔(7)和圆波导(9)，其中，所述输入腔(5)、中间腔(6)和输出腔(7)由依次分布于管状导体结构中的环形腔体构成，所述输入腔(5)与输出腔(7)之间设有3个中间腔(6)；
所述矩形波导(1)设置于管状导体结构末端，并经波导转换器(2)与扇形波导连接，所述扇形波导设置于管状导体结构外侧并与所述管状导体结构共形，所述输入腔(5)设置于所述扇形波导的末端，所述扇形波导在输入腔(5)处与输入腔(5)发生耦合并产生角向均匀TM01模式电磁场；
所述输入腔(5)靠近于所述管状导体结构首端设置，各中间腔(6)设置于输入腔(5)与输出腔(7)之间，且所述输入腔(5)、中间腔(6)和输出腔(7)间设有若干连通的用于传输电子流的管状通道；所述输出腔(7)经输出模式变换器(8)与设置于管状导体结构末端的圆波导(9)连接。
2.如权利要求1所述的相对论速调管放大器，其特征在于，所述扇形波导的圆心角取值范围基于扇形波导的截止频率条件和单模传输条件确定。
3.如权利要求1或2所述的相对论速调管放大器，其特征在于，所述扇形波导包括第一扇形波导段(4)和第二扇形波导段(3)，所述第一扇形波导段(4)与所述输入腔(5)相接，且所述第一扇形波导段(4)的厚度小于第二扇形波导段(3)的厚度。
4.如权利要求3所述的相对论速调管放大器，其特征在于，所述波导转换器(2)通过垂直连接方式实现矩形波导(1)与扇形波导的过渡。
5.如权利要求4所述的相对论速调管放大器，其特征在于所述矩形波导(1)的窄边与所述扇形波导的厚度尺寸相同，经所述波导转换器(2)耦合将矩形波导(1)的TE10模式微波过渡为扇形波导TE11模式微波。
6.如权利要求1所述的相对论速调管放大器，其特征在于，所述管状通道末端设有收集极。
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