CN114050098B - 双模工作相对论返波管输出微波相位控制方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高功率微波技术领域，双模工作相对论返波管输出微波相位控制方法及结构，在双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧增设信号注入结构，在磁体线圈的左侧形成注入通道和注入腔；从注入通道注入注入信号，注入信号经注入腔向环形阴极传输，对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位，进一步提高双模工作相对论返波管输出微波功率。信号注入结构为同轴波导，包括内导体和外导体，位于双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧，注入信号从从磁体线圈外侧经磁体线圈左侧端部注入，无需增加磁体的径向尺寸和长度，有利于减小磁体线圈的耗能。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，特别涉及一种双模工作相对论返波管输出微波的相位控制方法及结构。
背景技术
相对论返波管具有输出微波功率高、转换效率高、稳定可靠、适合重复频率工作等特点，是当前最有潜力的高功率微波器件之一。为进一步提高输出微波功率，一种方法是增加器件的结构尺寸，即采用过模结构；另一种方法是利用多个源进行相干功率合成，通过该方法理论上可无限提高输出微波功率，是未来HPM发展的一种必然趋势，也是当前HPM研究领域的前沿和热点。
现有一种采用过模结构的相对论返波管如图1所示(Efficient generation ofmulti-gigawatt power by an X-band dual-mode relativistic backward waveoscillatoroperating at low magnetic field[J],R.Z.Xiao,Y.C.Shi,H.D.Wang,G.S.Zhang,Y.Y.Gui,Z.M.Song,X.C.Bai,Y.C.Zhang,and J.Sun,Physics of Plasmas,vol.27,no.4,Art.no.043102,April 2020)，它包括环形阴极001、阴极反射环002、双预调制腔003、双段非均匀慢波结构004、输出波导005和磁场线圈006。工作时，环形阴极001产生环形相对论电子束，在磁场线圈006产生的磁场引导下，经过双预调制腔003，电子束获得合适的预调制，进入双段非均匀慢波结构004，与TM01模发生同步相互作用，与TM02模发生异步相互作用，向环形阴极001传输的TM01模和TM02模的混合模式经阴极反射环002反射后，重新进入双预调制腔003和双段非均匀慢波结构004，最终从输出波导005输出。该器件采用了过模结构，输出微波功率较高，但输出微波的相位是随机的，不可控的。
目前也有通过控制相对论返波管输出微波相位，对多个源进行相干功率合成，来提高输出微波功率的相关报道。如图2所示(RF phase control in ahigh-power high-efficiency klystron-like relativistic backward wave oscillator[J],R.Z.Xiao,C.H.Chen,W.Song,X.W.Zhang,J.Sun,Z.M.Song,L.J.Zhang,and L.G.Zhang,Journal ofApplied Physics,vol.110,no.7,Art.no.013301,July 2011)的相对论返波管，它包括环形阴极01、谐振反射器02、漂移段03、第一段慢波结构04、调制腔05、第二段慢波结构06、双间隙提取腔07、返波管管体08、磁场线圈09、同轴波导011和注入腔012。工作时，注入信号在电子束010产生之前经同轴波导011馈入注入腔012，然后对环形阴极01产生的环形相对论电子束010进行预调制，电子束010在磁场线圈09产生的磁场引导下，经过谐振反射器02和漂移段03，电子束010获得进一步的预调制，进入第一段慢波结构04，与电磁波产生初步相互作用，调制加深。随后，电子束010经过调制腔05，群聚效果不受影响，但电子束010的速度分散减小，这利于电子束与后续结构中电磁波的相互作用。接下来，电子束010进入第二段慢波结构06以及双间隙提取腔07，电子束的能量有效转化为微波能量，作用后的电子束010几乎不经扩展便被腔壁吸收。产生的部分微波向环形阴极01端传输，被谐振反射器02反射，重新经过漂移段03、第一段慢波结构04、调制腔05、第二段慢波结构06以及双间隙提取腔07后输出。该方法利用10MW的外加注入信号实现了对GW级输出微波相位的控制。该方法要求微波产生通道和注入通道隔离，在图2所示的结构中这是通过谐振反射器2来实现的。对图1所示的双模工作相对论返波管，产生的微波会通过双预调制腔003进入阴极反射环002区域，上述现有的微波相位控制方法对双模工作相对论返波管并不适用。因此，如何实现双模工作相对论返波管输出微波的相位控制，进一步提高输出微波功率是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双模工作相对论返波管输出微波的相位控制方法及结构，进一步提高双模工作相对论返波管输出微波功率。
本发明的技术方案是提供一种双模工作相对论返波管输出微波的相位控制方法，其特殊之处在于：定义双模工作相对论返波管中环形阴极端为左端，输出波导端为右端；
在双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧增设信号注入结构，在磁体线圈的左侧形成注入通道和注入腔；
从注入通道注入注入信号，注入信号经注入腔向环形阴极传输，对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位。
进一步地，上述信号注入结构为同轴波导，包括内导体和外导体；
上述内导体为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔位于左侧，第一台阶通孔的小孔位于右侧，第一台阶通孔的小孔孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
上述外导体为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔位于右侧，第二台阶通孔的小孔位于左侧，第二台阶通孔的大孔孔径大于内导体外径；
上述内导体同轴套设在外导体第二台阶通孔的大孔内，内导体外壁与第二台阶通孔的大孔孔壁之间形成环形注入通道；内导体的左端面与第二台阶通孔的大孔底部之间具有间隙；上述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔构成注入腔；
上述内导体第一台阶通孔的小孔右端面与双模工作相对论返波管管体左端面对接。
进一步地，注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ/2,λ/2＜L2＜λ,0＜L3＜λ/4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔半径，R3为第一台阶通孔小孔半径，R2为第一台阶通孔的大孔半径，L1为第二台阶通孔的小孔轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部到第二台阶通孔的大孔底部的轴向距离，L3为内导体的左端面与第二台阶通孔的大孔底部之间的轴向间距，λ为微波波长。
进一步地，注入腔各参数为：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
本发明还提供一种双模工作相对论返波管输出微波的信号注入结构，其特殊之处在于：包括具有内导体和外导体的同轴波导；
上述内导体为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔位于左侧，第一台阶通孔的小孔位于右侧，第一台阶通孔的小孔孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
上述外导体为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔位于右侧，第二台阶通孔的小孔位于左侧，第二台阶通孔的大孔孔径大于内导体外径；
上述内导体同轴套设在外导体第二台阶通孔的大孔内，内导体外壁与外导体第二台阶通孔的大孔孔壁之间形成环形注入通道；内导体的左端面与外导体第二台阶通孔的大孔底部之间具有间隙；上述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔构成注入腔。
进一步地，注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ/2,λ/2＜L2＜λ,0＜L3＜λ/4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔半径，R3为第一台阶通孔小孔半径，R2为第一台阶通孔的大孔半径，L1为第二台阶通孔的小孔轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部到第二台阶通孔的大孔底部的轴向距离，L3为内导体的左端面与外导体第二台阶通孔的大孔底部之间的轴向间距，λ为微波波长。
进一步地，注入腔各参数分别为：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
本发明还提供一种能够实现输出微波的相位控制的双模工作相对论返波管，其特殊之处在于，包括信号注入结构与双模工作相对论返波管；
上述信号注入结构为同轴波导，包括内导体和外导体；
上述内导体为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔位于左侧，第一台阶通孔的小孔位于右侧，第一台阶通孔的小孔孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
上述外导体为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔位于右侧，第二台阶通孔的小孔位于左侧，第二台阶通孔的大孔孔径大于内导体外径；
上述内导体同轴套设在外导体第二台阶通孔的大孔内，内导体外壁与外导体第二台阶通孔的大孔孔壁之间形成环形注入通道；内导体的左端面与外导体第二台阶通孔的大孔底部之间具有间隙；上述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔构成注入腔；
上述内导体第一台阶通孔的小孔右端面与双模工作相对论返波管管体左端面对接。
进一步地，注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ/2,λ/2＜L2＜λ,0＜L3＜λ/4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔半径，R3为第一台阶通孔小孔半径，R2为第一台阶通孔的大孔半径，L1为第二台阶通孔的小孔轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部到第二台阶通孔的大孔底部的轴向距离，L3为内导体的左端面与外导体第二台阶通孔的大孔底部之间的轴向间距，λ为微波波长。
进一步地，注入腔各参数可以为：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明将注入信号从双模工作相对论返波管磁体线圈外侧的同轴波导注入，经注入腔向环形阴极传输，注入信号对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位，进一步提高双模工作相对论返波管的输出微波功率；
2、本发明注入信号直接对环形阴极的电子发射进行调制，有利于降低所需注入功率；
3、本发明引入的信号注入结构位于双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧，注入信号从从磁体线圈外侧经磁体线圈左侧端部注入，无需增加磁体的径向尺寸和长度，有利于减小磁体线圈的耗能；
4、本发明信号注入结构与双模工作相对论返波管结构相对独立，有利于实验调试。
附图说明
图1为现有技术中双模工作相对论返波管结构示意图；
图中附图标记为：001-环形阴极，002-阴极反射环，003-双预调制腔，004-双段非均匀慢波结构，005-输出波导，006-磁场线圈；
图2为现有技术中能够实现输出微波相位控制的相对论返波管结构示意图；
图中附图标记为：01-环形阴极，02-谐振反射器，03-漂移段，04-第一段慢波结构，05-调制腔，06-第二段慢波结构，07-双间隙提取腔，08-返波管管体，09-磁场线圈，010-电子束，011-同轴波导，012-注入腔；
图3为本发明能够实现输出微波相位控制的双模工作相对论返波管结构示意图；
图4为本发明信号注入结构的结构示意图一；
图5为本发明信号注入结构中内导体的结构示意图；
图6为本发明信号注入结构中外导体的结构示意图；
图7为本发明信号注入结构的结构示意图二；
图中附图标记为：1-环形阴极，2-阴极反射环，3-双预调制腔，4-双段非均匀慢波结构，5-输出波导，6-磁场线圈，7-内导体，8-外导体，9-注入通道；
71-内导体的左端面，72-第一台阶通孔的大孔底部，81-第二台阶通孔的大孔底部；
731-第一台阶通孔的大孔，732-第一台阶通孔的小孔，821-第二台阶通孔的小孔，822-第二台阶通孔的大孔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在其他实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“左、右、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“对接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接。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。
本发明在双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧增设信号注入结构，在磁体线圈的左侧形成注入通道和注入腔；从注入通道注入注入信号，注入信号经注入腔向环形阴极传输，对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位。
如图3所示，给出了一种能够实现输出微波相位控制的双模工作相对论返波管结构示意图，包括环形阴极1、阴极反射环2、双预调制腔3、双段非均匀慢波结构4、输出波导5、磁场线圈6和信号注入结构。信号注入结构位于磁场线圈6的左侧，用于实现注入信号向环形阴极1的单向传输。
结合图4、图5和图6，可以看出本实施例信号注入结构包括同轴波导，该同轴波导包括内导体7和外导体8。参见图5，内导体7为圆柱形波导，其轴向中心开设第一台阶通孔，从图5所示的方位来看，第一台阶通孔的大孔731位于左侧，第一台阶通孔的小孔732位于右侧，第一台阶通孔的小孔732孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等。参见图6，外导体8也可以理解为一段圆柱形波导，其轴向中心开设第二台阶通孔，从图6所示的方位可以看出，第二台阶通孔的大孔822位于右侧，第二台阶通孔的小孔821位于左侧，第二台阶通孔的大孔822孔径大于内导体7的外径。从图4可以看出，内导体7通过支撑杆同轴套设在外导体8第二台阶通孔的大孔822内，内导体7的外壁与第二台阶通孔的大孔822孔壁之间形成环形注入通道9；内导体的左端面71与第二台阶通孔的大孔底部81(即为第二台阶通孔的台阶面)之间具有间隙；该间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔821共同构成注入腔。从图3可以看出，内导体7第一台阶通孔的小孔732右端面与双模工作相对论返波管管体左端面对接。
如图7所示，注入腔各参数满足条件：R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ/2,λ/2＜L2＜λ,0＜L3＜λ/4。其中R1为第二台阶通孔的小孔821半径，R3为第一台阶通孔的小孔732半径，R2为第一台阶通孔的大孔731半径，L1为第二台阶通孔的小孔821轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部72到第二台阶通孔的大孔底部81的轴向距离，L3为内导体的左端面71与第二台阶通孔的大孔底部81之间的轴向间距，λ为微波波长。
工作时，外加注入信号在电子束产生之前经注入通道9馈入注入腔，然后向环形阴极1传输。在高压脉冲和外加注入信号的共同作用下，环形阴极1产生具有一定初始速度调制的环形相对论电子束，在磁场线圈6产生的磁场引导下，经过双预调制腔3，电子束获得进一步的预调制，进入双段非均匀慢波结构4，与TM01模发生同步相互作用，与TM02模发生异步相互作用，向环形阴极1传输的TM01模和TM02模的混合模式经阴极反射环2反射后，重新进入双预调制腔3和双段非均匀慢波结构4，最终从输出波导5输出。从输出波导5输出微波的相位受外加注入信号的控制。
上述实施方式的一个具体实施例，其工作在X波段，各主要结构参数如下：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm。外加注入信号为400kW时，可以使4GW输出微波信号与外加注入信号的相对相位偏差小于30°；外加注入信号为800kW时，可以使4GW输出微波信号与外加注入信号的相对相位偏差小于15°。与已有技术相比，显著降低了所需外加注入信号的功率。
Claims (6)
1.一种双模工作相对论返波管输出微波相位控制方法，其特征在于：定义双模工作相对论返波管中环形阴极端为左端，输出波导端为右端；
在双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧增设信号注入结构，在磁体线圈的左侧形成注入通道和注入腔；
从注入通道注入注入信号，注入信号经注入腔向环形阴极传输，对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位；
所述信号注入结构为同轴波导，包括内导体(7)和外导体(8)；
所述内导体(7)为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔(731)位于左侧，第一台阶通孔的小孔(732)位于右侧，第一台阶通孔的小孔(732)孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
所述外导体(8)为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔(822)位于右侧，第二台阶通孔的小孔(821)位于左侧，第二台阶通孔的大孔(822)孔径大于内导体(7)外径；
所述内导体(7)同轴套设在外导体(8)第二台阶通孔的大孔(822)内，内导体(7)的外壁与第二台阶通孔的大孔(822)孔壁之间形成环形注入通道(9)；内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间具有间隙；所述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔(821)构成注入腔；
所述内导体(7)第一台阶通孔的小孔(732)右端面与双模工作相对论返波管管体左端面对接；
注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ2,λ2＜L2＜λ,0＜L3＜λ4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔(821)半径，R3为第一台阶通孔的小孔(732)半径，R2为第一台阶通孔的大孔(731)半径，L1为第二台阶通孔的小孔(821)轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部(72)到第二台阶通孔的大孔底部(81)的轴向距离，L3为内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间的轴向间距，λ为微波波长。
2.根据权利要求1所述的双模工作相对论返波管输出微波相位控制方法，其特征在于：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
3.一种双模工作相对论返波管输出微波的信号注入结构，其特征在于：包括具有内导体(7)和外导体(8)的同轴波导；
所述内导体(7)为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔(731)位于左侧，第一台阶通孔的小孔(732)位于右侧，第一台阶通孔的小孔(732)孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
所述外导体(8)为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔(822)位于右侧，第二台阶通孔的小孔(821)位于左侧，第二台阶通孔的大孔(822)孔径大于内导体(7)外径；
所述内导体(7)同轴套设在外导体(8)第二台阶通孔的大孔(822)内，内导体(7)外壁与第二台阶通孔的大孔(822)孔壁之间形成环形注入通道(9)；内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间具有间隙；所述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔(821)构成注入腔；
所述内导体(7)第一台阶通孔的小孔(732)右端面用于与双模工作相对论返波管管体左端面对接；
注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ2,λ2＜L2＜λ,0＜L3＜λ4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔(821)半径，R3为第一台阶通孔的小孔(732)半径，R2为第一台阶通孔的大孔(731)半径，L1为第二台阶通孔的小孔(821)轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部(72)到第二台阶通孔的大孔底部(81)的轴向距离，L3为内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间的轴向间距，λ为微波波长。
4.根据权利要求3所述的双模工作相对论返波管输出微波的信号注入结构，其特征在于：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
5.一种能够实现输出微波的相位控制的双模工作相对论返波管，其特征在于，包括信号注入结构与双模工作相对论返波管；
所述信号注入结构为同轴波导，包括内导体(7)和外导体(8)；
所述内导体(7)为轴向中心开设第一台阶通孔的圆柱形波导，第一台阶通孔的大孔(731)位于左侧，第一台阶通孔的小孔(732)位于右侧，第一台阶通孔的小孔(732)孔径与双模工作相对论返波管左端管体内径相等；
所述外导体(8)为轴向中心开设第二台阶通孔的圆柱形波导，第二台阶通孔的大孔(822)位于右侧，第二台阶通孔的小孔(821)位于左侧，第二台阶通孔的大孔(822)孔径大于内导体(7)外径；
所述内导体(7)同轴套设在外导体(8)第二台阶通孔的大孔(822)内，内导体(7)外壁与第二台阶通孔的大孔(822)孔壁之间形成环形注入通道(9)；内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间具有间隙；所述间隙、第一台阶通孔以及第二台阶通孔的小孔(821)构成注入腔；
所述内导体(7)第一台阶通孔的小孔(732)右端面与双模工作相对论返波管管体左端面对接；
注入腔各参数需满足：
R1＝R3≈2λ,2λ＜R2＜3λ,0＜L1＜λ2,λ2＜L2＜λ,0＜L3＜λ4；
其中R1为第二台阶通孔的小孔(821)半径，R3为第一台阶通孔的小孔(732)半径，R2为第一台阶通孔的大孔(731)半径，L1为第二台阶通孔的小孔(821)轴向长度，L2为第一台阶通孔的大孔底部(72)到第二台阶通孔的大孔底部(81)的轴向距离，L3为内导体的左端面(71)与第二台阶通孔的大孔底部(81)之间的轴向间距，λ为微波波长。
6.根据权利要求5所述的能够实现输出微波的相位控制的双模工作相对论返波管，其特征在于：R1＝60mm,R2＝80mm,R3＝60mm,R4＝186mm,R5＝191mm,L1＝10mm,L2＝22mm,L3＝4mm，其中λ＝30mm。
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| 针对锁相的相对论返波管优化设计;吴洋;;太赫兹科学与电子信息学报(第02期);全文 * |
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