CN114464514A - 一种锁频锁相结构及其构成的磁控管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁频锁相结构及其构成的磁控管结构，包括中间变换段和若干能量耦合器，相邻两个所述能量耦合器之间通过中间变换段连接；所述中间变换段长度及阻抗可调。本发明提出的一种高效率、几乎不损失原有磁控管功率和效率的锁频锁相技术，使得多个磁控管的微波输出信号相干，它们输出的信号能够用于功率合成，这种高效率的锁频锁相方法使得大规模磁控管的输出信号可以相干，输出的相干信号的等效全向辐射功率随着磁控管数量N平方增加。

Description

一种锁频锁相结构及其构成的磁控管结构

技术领域

本发明属于真空电子器件中的微波源技术领域，具体涉及一种锁频锁相结构及其构成的磁控管。

背景技术

随着电子技术的发展，在低功率、低频率、低电压场合半导体器件已基本取代电真空器件，但在高功率应用场合，电真空器件特别是磁控管仍占有绝对优势。磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件，磁控管工作时，阴极和阳极之间加上几百伏到几十千伏的直流电压，同时必须把互作用空间安置在和管轴平行的均匀直流磁场中。所以磁控管工作时，互作用空间内直流电场和直流磁场相互垂直，管内阴极发射的电子与高频场发生相互作用，把从恒定电场中获得的能量转变成微波能量。由于磁控管的阳极是首尾相连的谐振腔，只能维持某些分立的频率的高频电磁场，称之为振荡模式。每一个模式有着特定的频率和相速。最重要且最常用的就是π模，即相邻两腔的相移为180°。磁控管的工作模式所对应的电场是驻波，随着阳极段上的高频电压振荡，在谐振腔间隙上的电场线来回振荡。驻波可以认为是两个方向相反的行波组成的，一个在磁控管中为顺时针旋转，另一个逆时针旋转。传统的磁控管结构包含圆筒形阴极、阳极块、能量输出器、外加磁钢和各种馈电引线等，具有高功率、高效率，结构紧凑的特点。如果通过加大电压提升功率输出，相应的磁场也会变大，变大的磁场使得阳极电流减小，如此一来，工作电压并不能无限制的增大。目前市场上的磁控管按工作状态区分可以分为连续波磁控管和脉冲磁控管。往往较低频率的磁控管，例如L波段，S波段，C波段工作在连续波状态；而较高频率，例如X波段，Ka波段磁控管工作在脉冲状态。无论是连续波磁控管还是脉冲磁控管，因为电压磁场的限制、阴极提供电流和系统整体的散热能力，功率存在一个极限。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的锁频锁相结构及其构成的磁控管解决了磁控管效率低、能量损失高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种锁频锁相结构，包括中间变换段和若干能量耦合器，相邻两个所述能量耦合器之间通过中间变换段连接；

所述中间变换段长度及阻抗可调。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过精心设计的能量耦合器和中间变换段，可以使得磁控管互相注入能量到与之相连的磁控管的阳极系统这个过程几乎不损失任何能量，并且由于磁控管的外部负载发生变化，使得发生互耦的磁控管效率变高，从而整体来看，磁控管不仅锁频锁相，而且效率比之前更高；

(2)本发明中的通过能量耦合器和中间变换段的设计提高了磁控管自身的效率以及锁频锁相过程不损失能量，非常有利于大规模阵列的锁频锁相，使得该发明技术的应用前景非常广阔，具有开创新体制高功率微波源应用领域的潜质；

(3)采用本发明中的锁频锁相结构后的高功率微波进一步进行功率合成，简单结构使得其加工容易且更能有效的减小装配误差，结构紧凑，防震性能较好。同时这种结构可以用于大规模阵列的锁频锁相，由较高的生产价值。

进一步地，所述能量耦合器包括耦合缝、阻抗变换器、标准波导、输出窗片和第一标准法兰；

所述耦合缝为与所述能量耦合器连接的磁控管中阳极谐振腔腔体上设置的缝隙；

所述耦合缝、阻抗变换器、标准波导、输出窗片和第一标准法兰依次连接；

两个所述磁控管的所述能量耦合器的第一标准法兰之间通过中间变换段连接。

上述进一步方案的有益效果为：上述能量耦合器结构设计使得磁控管具有多个外部耦合口，外部品质因素产生变化，使得所输出结构的磁控管效率变得比单输出口的更高。

进一步地，所述中间变换段包括调谐销钉、第二标准法兰、第三标准法兰、可调销钉、调节长度结构、第一金属波导结构和第二金属波导结构；

所述第二标准法兰的一端与所述第一金属波导结构的一端连接，所述第三标准法兰的一端与所述第二金属波导结构的一端连接，所述第一金属波导结构的另一端为中空的凹型槽，所述第二金属波导结构的另一端为与所述第一金属波导结构的凹型槽匹配的锯齿槽，且可插入所述凹型槽内；所述第二标准法兰和第三标准法兰和与其连接的能量耦合器中的第一标准法兰连接；

所述凹型槽和锯齿槽的重合段形成所述调节长度结构，所述调节长度结构的长度通过所述调谐销钉调节；

所述可调销钉对称设置。

进一步地，所述可调销钉用于调节所述锁频锁相结构的阻抗，所述调谐销钉用于调节所述中间变换段的长度。

上述进一步方案的有益效果为：本发明中的中间变换段结构设计，可以使得磁控管互相注入能量到与之相连的磁控管的阳极系统这个过程几乎不损失任何能量，并且由于磁控管的外部负载发生变化，使得发生互耦的磁控管效率变高。

一种磁控管结构，包括n个锁频锁相结构及不少于n-1个磁控管；

相邻两个所述磁控管之间通过所述锁频锁相结构连接。

本发明的有益效果为：

(1)从多个磁控管角度而言，多个磁控管之间发生了紧密地耦合，其各个磁控管的工作电场通过中间变换段产生相互耦合，从而将每个磁控管工作模式的分立的驻波场变成了一个整体的驻波场，从而实现磁控管的锁频锁相；

(2)多个磁控管的振荡频率相同，磁控管高频场的相位也根据不同波导波长的中间耦合段呈现0°和180°的相位差；多个磁控管在其工作频率上得到相位相干的高功率输出，其功率输出可以是脉冲或者连续波。采用这种技术互相耦合的磁控管可以产生与原有功率、效率相比更高功率、效率的高功率微波输出，通过电路合成或者空间合成其输出的功率，可以使得整体功率提高成千上百倍；

(3)具有上述结构的磁控管结构因为具有多个外部耦合口，外部品质因素产生变化，使得多输出结构的磁控管的效率变得比单输出口的更高。并且锁相过程中耦合段中的驻波特点，使得磁控管锁相过程中并不损失能量，因此锁频锁相具有高效率的特点，并且由于磁控管的效率变得更高，适用于大规模磁控管的功率合成；

(4)本发明中磁控管结构不用任何额外的外部器件，结构简单，整体性和一致性好，特别是易于加工，装配精度可以得到保证；同时，由于几乎采用全金属结构，其散热性能好，具有功率容量高等优点。

进一步地，所述磁控管至少与一个能量耦合器连接，所述能量耦合器的数量为1～N/2，N为所述磁控管的阳极叶片数量。

上述进一步方案的有益效果为：基于本发明中的多能量耦合器设计，提高了磁控管的效率。

进一步地，当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为180°时，所述中间变换段的长度为半波长的奇数倍；

当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为0°时，所述中间变换段的长度为半波长的偶数倍。

附图说明

图1为本发明提供的具有锁频锁相结构的磁控管结构示意图。

图2为本发明提供的具有单能量耦合器的16腔磁控管的横向剖面简图。

图3为本发明提供的具有双能量耦合器的16腔磁控管的横向剖面简图。

图4为本发明提供的中间变换段结构示意图。

其中：1、单能量耦合器的磁控管；2、中间变换段；3、双能量耦合器的磁控管；4、阳极谐振腔；5、阳极叶片；6、阴极；7、阳极桶；1-1、耦合缝；1-2、阻抗变换器；1-3、标准波导；1-4、输出窗片；1-5、第一标准法兰；2-1、调谐销钉；2-2、第二标准法兰；2-3、第三标准法兰；2-4、可调销钉；2-5、调节长度结构；2-6、第一金属波导结构；2-7、第二金属波导结构。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

本发明实施例提供了一种锁频锁相结构，如图1所示，包括中间变换段2和若干能量耦合器，相邻两个所述能量耦合器之间通过中间变换段2连接；

所述中间变换段2长度及阻抗可调。

在本发明实施例中，通过上述锁频锁相结构，将多个磁控管的高频场产生高效的耦合，从而变成一个整体，多个磁控管通过阳极空间腔体上开缝隙将驻波(也可以时两个相反方向的行波)通过适当的中间变换段2产生紧密的耦合，从而实现高效率的锁频锁相。

在本发明实施例中，多输出口的磁控管包括一个能量输出器和至少一个能量耦合器，所述能量耦合器与中间变换段2连接，形成本实施例中的锁频锁相结构，功率输出器和能量耦合器的功率分配是根据磁控管自身锁相所需要的功率和振荡特性(例如工作频率、品质因数等)所决定的，因此，对于不同频率、不同功率、效率的磁控管管，其能量耦合器的设计也会不同。如图2-3所示，具有单能量耦合器的磁控管1和双能量耦合器的磁控管3中的能量耦合器包括耦合缝1-1、阻抗变换器1-2、标准波导1-3、输出窗片1-4和第一标准法兰1-5；

所述耦合缝1-1为与所述能量耦合器连接的磁控管中阳极谐振腔4腔体上设置的缝隙；所述耦合缝1-1、阻抗变换器1-2、标准波导1-3、输出窗片1-4和第一标准法兰1-5依次连接；两个所述磁控管的所述能量耦合器的第一标准法兰1-5之间通过中间变换段2连接。

在本发明实施例中，图2中的阻抗变换器1-2可以是任意结构的阻抗变换器，也可以是带有销钉用于调节能量耦合器对磁控管的耦合度的结构，且阻抗变换器1-2直接与磁控管的阳极结构连接，中间用一段很短的矩形耦合缝1-1互相连接，阻抗便函器的另一端与标准波段连接；输出窗片1-4的主要功能是连接标准波导1-3和形成真空密封空间，且可以作为一个宽带的滤波器，同时输出窗片1-4的驻波较小。

在本发明实施例中，如图4所示，中间变换段2包括调谐销钉2-1、第二标准法兰2-2、第三标准法兰2-3、可调销钉2-4、调节长度结构2-5、第一金属波导结构2-6和第二金属波导结构2-7；

所述第二标准法兰2-2的一端与所述第一金属波导结构2-6的一端连接，所述第三标准法兰2-3的一端与所述第二金属波导结构2-7的一端连接，所述第一金属波导结构2-6的另一端为中空的凹型槽，所述第二金属波导结构2-7的另一端为与所述第一金属波导结构2-6的凹型槽匹配的锯齿槽，且可插入所述凹型槽内；所述第二标准法兰2-2和第三标准法兰2-3和与其连接的能量耦合器中的第一标准法兰1-5连接；

所述凹型槽和锯齿槽的重合段形成所述调节长度结构2-5，所述调节长度结构2-5的长度通过所述调谐销钉2-1调节；

所述可调销钉2-4对称设置，在本发明实施例中，可调销钉可以安置在波导宽边也可以安置在波导窄边，其对称中心是宽边或窄边的几何中心的位置。

在本发明实施例中，可调销钉2-4用于调节所述锁频锁相结构的阻抗，所述调谐销钉2-1用于调节所述中间变换段2的长度，其中，中间变换段2的长度，通过机械传动结构，将旋转运动转化为直线运动，使得中间变换段2的长度可变，并且旋转运动的来源可以是但不限于机械手动或者电机旋转。具体地，为了耦合方便，将中间变换段2的长度设置为波导波长的整数倍，但是由于加工的误差等原因，该结构不可能完全等于波导波长的整数倍，因此本实施例中设计的可调的中间变换段2保证了最终可调节到合适的波导波长的整数倍，可通过选择可调销钉2-4的直径、间隔距离及其位置，使得磁控管间的匹配状态最佳，能量互相注入对方磁控管内，且在中间变换段2形成驻波。上述结构设计的中间变换段2几乎不损失能量，而且由于磁控管的外部负载发生变换，自身的效率得到了提高。

需要说明的是，在本发明实施例中的图2和图3所示磁控管结构中，对于磁控管本身，其包括阳极谐振腔4、阳极叶片5、阴极6和阳极桶7(该部分不是本发明的主要内容，在此对其结构不做详细描述)；对于能量耦合器而言，由于锁频锁相结构间连接的磁控管间互相注入能量不同，磁控管本身特性不同，图3比图2多了一个能量耦合器，其与负载交换能量的能力已经发生了变化，因此图2和图3中能量耦合器的各个组成结构的参数是有所区别的，随着能量耦合器数量的增加，组成结构的参数也会发生变化。

实施例2：

本发明实施例中提供了一种由实施例1中的锁频锁相结构构成的磁控管结构，包括n个锁频锁相结构及不少于n-1个磁控管；

相邻两个所述磁控管之间通过所述锁频锁相结构连接。

本发明提供的磁控管结构使得发生互殴的磁控管效率变高，从整体来看，磁控管不仅锁频锁相，而且效率比之前更高。也就是说，在相同的阳极电压和电流条件下，效率更高的磁控管能输出更多的微波功率，并且在互相耦合过程不损失能量，如果将某个单独工作条件下的磁控管的功率归一化为1，那么锁相后由于效率的提高，以及锁相过程不损失能量，那么高效率锁频锁相后的功率相加后会大于2，大于2的程度取决于磁控管提高了多少效率。

本发明实施例中，多个磁控管由于连接的需要，需要设计额外的输出能量结构，即为能量耦合器，每个磁控管至少与一个能量耦合器连接，所述能量耦合器的数量为1～N/2，N为所述磁控管的阳极叶片5数量。

在本发明实施例中，当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为180°时，所述中间变换段2的长度为半波长的奇数倍；当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为0°时，所述中间变换段2的长度为半波长的偶数倍。

在本发明实施例中，各个磁控管之间由于高效率锁频锁相结构的设计，中间耦合段之间产生驻波，从所有的磁控管来看，整体功率并没有损失。

实施例3：

本发明实施例中提供了实施例2中的磁控管结构的仿真实例，该磁控管结构工作在脉冲波条件下，磁控管的工作频率为35GHz，工作电压为10～13kV，对应工作模式为π模，每个磁控管的输出功率较高，接近10kW，效率可达30％。通过该技术锁频锁相后，磁控管工作频率锁定在34.9GHz，磁控管之间的相位恒定而且根据中间变换段2的不同调谐长度为0°或者180°，每个磁控管的功率接近10kW，效率可达30％以上。

需要说明的是，在本发明上述实施例中的磁控管为Ka波段的磁控管，但其结构不限于Ka波段，通过结构尺寸的调整，可以使其锁频锁相结构适用于任何波段。

Claims (7)

1.一种锁频锁相结构，其特征在于，包括中间变换段(2)和若干能量耦合器，相邻两个所述能量耦合器之间通过中间变换段(2)连接；

所述中间变换段(2)长度及阻抗可调。

2.根据权利要求1所述的锁频锁相结构，其特征在于，所述能量耦合器包括耦合缝(1-1)、阻抗变换器(1-2)、标准波导(1-3)、输出窗片(1-4)和第一标准法兰(1-5)；

所述耦合缝(1-1)为与所述能量耦合器连接的磁控管中阳极谐振腔(4)腔体上设置的缝隙；

所述耦合缝(1-1)、阻抗变换器(1-2)、标准波导(1-3)、输出窗片(1-4)和第一标准法兰(1-5)依次连接；

两个所述磁控管的所述能量耦合器的第一标准法兰(1-5)之间通过中间变换段(2)连接。

3.根据权利要求1所述的锁频锁相结构，其特征在于，所述中间变换段(2)包括调谐销钉(2-1)、第二标准法兰(2-2)、第三标准法兰(2-3)、可调销钉(2-4)、调节长度结构(2-5)、第一金属波导结构(2-6)和第二金属波导结构(2-7)；

所述第二标准法兰(2-2)的一端与所述第一金属波导结构(2-6)的一端连接，所述第三标准法兰(2-3)的一端与所述第二金属波导结构(2-7)的一端连接，所述第一金属波导结构(2-6)的另一端为中空的凹型槽，所述第二金属波导结构(2-7)的另一端为与所述第一金属波导结构(2-6)的凹型槽匹配的锯齿槽，且可插入所述凹型槽内；所述第二标准法兰(2-2)和第三标准法兰(2-3)和与其连接的能量耦合器中的第一标准法兰(1-5)连接；

所述凹型槽和锯齿槽的重合段形成所述调节长度结构(2-5)，所述调节长度结构(2-5)的长度通过所述调谐销钉(2-1)调节；

所述可调销钉(2-4)对称设置。

4.根据权利要求3所述的锁频锁相结构，其特征在于，所述可调销钉(2-4)用于调节所述锁频锁相结构的阻抗，所述调谐销钉(2-1)用于调节所述中间变换段(2)的长度。

5.一种由权利要求1～4所述的锁频锁相结构构成的磁控管结构，其特征在于，包括n个锁频锁相结构及不少于n-1个磁控管；

相邻两个所述磁控管之间通过所述锁频锁相结构连接。

6.根据权利要求6所述的磁控管结构，其特征在于，所述磁控管至少与一个能量耦合器连接，所述能量耦合器的数量为1～N/2，N为所述磁控管的阳极叶片(5)数量。

7.根据权利要求5所述的磁控管结构，其特征在于，当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为180°时，所述中间变换段(2)的长度为半波长的奇数倍；

当所述磁控管结构中的各磁控管之间的微波输出信号的相位差为0°时，所述中间变换段(2)的长度为半波长的偶数倍。

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