CN114242545A - 一种紧凑型千瓦级毫米波源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型千瓦级毫米波源，所述波源包括用于产生回旋电子束的电子枪，所述电子枪通过互作用腔与用于尺寸扩增的渐变段连接，所述渐变段输出端设置有输出窗，所述互作用腔外设有磁体线圈，在所述磁体线圈外设有一层磁钢，所述磁钢与互作用腔配合包围磁体线圈，所述磁体线圈与磁钢之间还设有一层磁体冷却水腔，所述渐变段与输出窗外设有管体冷却水腔。本发明采用高饱和铁磁材料控制大电流产生的强磁场，并结合二次谐波回旋管和脉冲重频工作方式，将千瓦级毫米波源的体积重量降低至单人便携水平。

Description

一种紧凑型千瓦级毫米波源
技术领域
本发明属于毫米波技术领域，尤其涉及一种紧凑型千瓦级毫米波源。
背景技术
大功率毫米波源在高速通信、高分辨率雷达、主动拒止系统等方面有着重要应用价值。基于半导体技术的毫米波源功率容量小，主要应用于对功率要求不高的领域。基于真空电子学技术的电真空器件功率大，系统体积较大，主要应用于需要有大功率的场合。对于电真空器件而言，又分两种：一种是慢波器件，在毫米波段功率容量有限，很难提高，但体积相对较小；另一种是快波器件，主要是回旋管，功率容量可达兆瓦(106)量级，但是体积庞大，成本高，难以小型化，主要应用在有高功率要求的磁约束聚变领域。
近年来出现的一种基于带状电子束的电真空慢波器件，具体形式为带状束扩展互作用速调管或带状束扩展互作用振荡器,可以在W波段达到千瓦量级脉冲功率输出。具体而言，在是传统的扩展互作用器件上做调整，引入带状电子束增加工作电流和互作用结构的空间范围，从而提高器件的功率容量。
传统的基于带状电子束的电真空慢波器件，目前工作效率较低，且难以实现稳定工作。主要是由于带状电子束本身存在传输不稳定性而导致难以稳定工作。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种紧凑型千瓦级毫米波源,采用高饱和铁磁材料控制大电流产生的强磁场，并结合二次谐波回旋管和脉冲重频工作方式，将千瓦级毫米波源的体积重量降低至单人便携水平。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种紧凑型千瓦级毫米波源，所述波源包括用于产生回旋电子束的电子枪，所述电子枪通过互作用腔与用于尺寸扩增的渐变段连接，所述渐变段输出端设置有输出窗，所述互作用腔外设有磁体线圈，在所述磁体线圈外设有一层磁钢，所述磁钢与互作用腔配合包围磁体线圈，所述磁体线圈与磁钢之间还设有一层磁体冷却水腔，所述渐变段与输出窗外设有管体冷却水腔。
进一步的，所述波源的工作方式为脉冲重频。由于回旋管所需工作磁场很高，若采用连续波工作方式，磁体功耗占比太大，并不适用。因而，采用脉冲重频工作方式，降低磁体的功耗水平。
进一步的，所述脉冲重频的频率小于10Hz。考虑到趋肤效及涡流效应，重频频率一般需小于10Hz。
进一步的，所述磁体线圈分成若干组，每组绕有若干匝薄铜带。为了降低趋肤效应的影响，采用薄铜带(非铜线)绕制成线圈。为了便于冷却，线圈分成若干组，每组绕有若干匝铜带。铜带与铜带之间用耐温绝缘材料绝缘。
进一步的，所述磁钢采用高饱和磁感应强度材料。为了减小磁体功耗和体积重量，采用高饱和磁感应强度材料，如1J22合金等。
进一步的，所述电子枪为单阳极磁控注入电子枪。采用单阳极磁控注入电子枪产生满足束波互作用的要求的回旋电子束，能够缩减毫米波源的体积重量。
进一步的，所述互作用腔的工作模式为二次谐波模式。回旋管工作在二次谐波模式，可将工作磁场降低一半，从而减少毫米波源的体积重量。
进一步的，所述输出窗密封真空。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用回旋管的高效率和高功率特征，采用回旋管做为毫米波源,使毫米波源能够稳定工作。
(2)本发明利用磁钢与互作用腔的配合，将磁场集中在一个较小的区域内，可大幅降低整体功耗水平。并且工作磁场集中在小区域内，回旋管尺寸亦随之减小，整个毫米波源的体积和重量也随之减小。
(3)本发明毫米波源采用脉冲重频工作方式，降低磁体的功耗水平，并且以二次谐波模式工作能够进一步降低整个波源装置的体积和重量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种紧凑型千瓦级毫米波源结构示意图。
附图说明：1-电子枪，2-互作用腔，3-磁钢，4-磁体冷却水腔，5-磁体线圈,6-管体冷却水腔，7-渐变段，8-输出窗。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于电真空器件而言，又分两种：一种是慢波器件，在毫米波段功率容量有限，很难提高，但体积相对较小；另一种是快波器件，主要是回旋管，功率容量可达兆瓦(106)量级，但是体积庞大，成本高，难以小型化，主要应用在有高功率要求的磁约束聚变领域。
传统的基于带状电子束的电真空慢波器件，目前工作效率较低，且难以实现稳定工作。主要是由于带状电子束本身存在传输不稳定性而导致难以稳定工作。
为了解决上述技术问题，提出了本发明一种紧凑型千瓦级毫米波源的下述实施例，采用高饱和铁磁材料控制大电流产生的强磁场，并结合二次谐波回旋管和脉冲重频工作方式，将千瓦级毫米波源的体积重量降低至单人便携水平。本实施例提供的紧凑型千瓦级毫米波源，可用于便携式或小型化毫米波源，功率可达千瓦级，特别适用于W波段(75-110GHz)毫米波源。
参照图1，如图1所示是本实施例提供的一种紧凑型千瓦级毫米波源结构示意图。
该波源具体包括用于产生回旋电子束的电子枪1，电子枪1通过互作用腔2与用于尺寸扩增的渐变段7连接，渐变段7输出端设置有输出窗8，互作用腔2外设有磁体线圈5，在磁体线圈5外设有一层磁钢3，磁钢3与互作用腔2配合包围磁体线圈5，磁体线圈5与磁钢3之间还设有一层磁体冷却水腔4，渐变段7与输出窗8外设有管体冷却水腔6。
其中，本实施例采用的磁体线圈5功能为通过大电流产生回旋管工作所需强磁场。脉冲重频条件下可在更高电流密度条件下工作。考虑到趋肤效及涡流效应，重频频率一般需小于10Hz。为了降低趋肤效应的影响，采用薄铜带(非铜线)绕制成线圈。为了便于冷却，线圈分成若干组，每组绕有若干匝铜带。铜带与铜带之间用耐温绝缘材料绝缘。
本实施例提出的电子枪1用于产生回旋电子束。
作为一种实施方式，为了缩减紧凑型千瓦级毫米波源的体积重量，采用单阳极磁控注入电子枪1，产生满足束波互作用的要求的回旋电子束。
本实施例提出的互作用腔2是束波互作用场所，毫米波将在此腔体中由电子束产生。
需要说明的是，互作用腔2通常为圆对称结构。
作为一种实施方式，为了降低对工作磁场的要求同时保证足够的工作效率，本实施例提出的互作用腔2采用二次谐波模式工作。
本实施例采用的磁钢3功能为约束引导磁场进入回旋管的互作用腔2区域，产生回旋管工作所需的具有一定均匀范围的磁场分布。为了减小磁体功耗和体积重量，采用高饱和磁感应强度材料。
作为一种实施方式，磁钢3可采用1J22合金。
本实施例提出的磁体冷却水腔4设置于磁体绕圈和磁钢3之间的空隙，用于添加绝缘支撑结构和形成冷却水通道。
本实施例提出的渐变段7为互作用腔2后面的尺寸扩增渐变段7，回旋电子束的着壁区域，扩大尺寸主要是为了增加回旋电子束的着壁面积，降低热功率密度，更有利于回旋管的冷却。
本实施例提出的管体冷却水腔6，形成管体的冷却水路，主要用于冷却回旋电子束的着壁区域。
本实施例提出的输出窗8，作为毫米波的输出窗8口，输出窗8密封真空。
本实施例提出的紧凑型千瓦级毫米波源，在W波段，回旋管工作在二次谐波模式，所需工作约1.8T，可将回旋管(含磁体)尺寸控制在Φ140mm*250mm以下，结构紧凑，重量仅10kg，满足单人便携使用要求。W波段二次谐波回旋管工作效率可达20％以上。按10％占空比计算，实现1kW平均功率输出，所需平均电功率约5kW，磁体平均功耗约2kW，整体功耗为7kW。功耗要求小，供电系统也便于小型化处理。
需要说明的是，采用大轨道回旋电子束的回旋管，在脉冲条件下工作也可达到本实施例将千瓦级毫米波源的体积重量降低至单人便携水平的目的。但大轨道回旋电子束产生困难，且工作效率太低。
此外，若采用二次谐波回旋管连续波工作方式，回旋管平均功耗不变，但磁体工作在直流状态，功耗20kW以上，功耗太大，而且在小体积下无法得到有效冷却。
本实施例提供的一种紧凑型千瓦级毫米波源，利用回旋管的高效率和高功率特征，采用回旋管做为毫米波源,使毫米波源能够稳定工作。本实施例提供的紧凑型千瓦级毫米波源利用磁钢与互作用腔的配合，将磁场集中在一个较小的区域内，可大幅降低整体功耗水平。并且工作磁场集中在小区域内，回旋管尺寸亦随之减小，整个毫米波源的体积和重量也随之减小。本实施例提供的紧凑型千瓦级毫米波源采用脉冲重频工作方式，降低磁体的功耗水平，并且以二次谐波模式工作能够进一步降低整个波源装置的体积和重量。
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 (8)

1.一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述波源包括用于产生回旋电子束的电子枪，所述电子枪通过互作用腔与用于尺寸扩增的渐变段连接，所述渐变段输出端设置有输出窗，所述互作用腔外设有磁体线圈，在所述磁体线圈外设有一层磁钢，所述磁钢与互作用腔配合包围磁体线圈，所述磁体线圈与磁钢之间还设有一层磁体冷却水腔，所述渐变段与输出窗外设有管体冷却水腔。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述波源的工作方式为脉冲重频。
3.如权利要求2所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述脉冲重频的频率小于10Hz。
4.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述磁体线圈分成若干组，每组绕有若干匝薄铜带。
5.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述磁钢采用高饱和磁感应强度材料。
6.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述电子枪为单阳极磁控注入电子枪。
7.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述互作用腔的工作模式为二次谐波模式。
8.如权利要求1所述的一种紧凑型千瓦级毫米波源，其特征在于，所述输出窗密封真空。
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