CN114464515B - 一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，包括设置于异腔磁控管的输出结构中的可调销钉和同轴衰减耦合口；可调销钉用于调整异腔磁控管的工作状态以及各输出结构之间的能量分配；同轴衰减耦合口用于监测输出或注入的能量；异腔磁控管的输出结构通过长度可调的矩形波导与其他异腔磁控管连接。本发明使得多个异腔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，这种结构使得大规模的异腔磁控管的输出信号可以相干，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。因此利用异腔磁控管进行锁频锁相，提升微波源的功率，同样具有较高的研究价值和经济效益。

Description

一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构

技术领域

本发明属于真空电子器件中的微波功率源技术领域，具体涉及一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构。

背景技术

如今，微波技术在工业材料的制备、食品的杀菌消毒、化工生产等方面已得到了广泛应用。微波作为一种新型的能源技术，不仅在雷达通信、电子对抗、航天制导等军事领域中被广泛应用，而且在工业加热、生物医学、无损耗检测等民用领域中也逐渐得到使用。

在真空电子器件领域内，磁控管是一种重入式谐振型正交场振荡器，是微波技术中的一种高功率源。它最主要的特点就是高效率和低工作电压，其次是由于结构简单而带来的体积小、重量轻、使用方便、工作可靠和成本低等特点。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。鉴于磁控管具有效率高、体积小、成本低、工作可靠和使用方便等特点，其应用范围不仅仅局限于雷达、电子对抗、导弹等军用领域，同时也逐渐扩展至微波加热、微波生物医学、工业检测等民用领域中来。

磁控管因为其结构特点，竞争的模式非常多，而控制模式的方法通常采用有隔膜带的同腔系统和无隔膜带的异腔系统。相比于有隔膜带的同腔结构而言，异腔系统由大小两组谐振腔构成。异腔磁控管也称为旭日型磁控管。在毫米波频段上，同腔磁控管少有设计。一是由于尺寸共度效应的存在毫米波段的电子器件的需要设计尺寸很小，目前的加工精度有限无法实现。另外，引入的隔模带损耗将会降低磁控管的效率。所以，常见的毫米波段磁控管以同轴磁控管和异腔磁控管为主。异腔磁控管在毫米波频段上结构简单、模式分隔大、在短波长时加工方便、尺寸小。然而，当面对更高功率的应用场景时，单支异腔磁控管的输出功率也还是无法支撑需求。提高其输出功率，必将极大地扩宽异腔磁控管的应用范围。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，单支异腔磁控管在其功率容量上存在输出上限，从而单支磁控管的输出功率已满足不了某些高功率场合下的使用需求。此时考虑利用多个异腔磁控管进行微波功率合成，是拓展磁控管功率容量的有效手段。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的异腔磁控管的锁频锁相及调配结构解决了现有的异腔磁控管存在的功率容量低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，包括设置于异腔磁控管的输出结构中的可调销钉和同轴衰减耦合口；

所述可调销钉用于调整异腔磁控管的工作状态以及各输出结构之间的能量分配；所述同轴衰减耦合口用于监测输出或注入的能量；

所述异腔磁控管的输出结构通过长度可调的矩形波导与其他异腔磁控管连接。

进一步地，所述输出结构包括依次连接的阻抗变换器、输出窗片和第一标准法兰；

所述阻抗变换器可调；

所述输出窗片与第一标准法兰之间形成的输出口中设置有同轴衰减耦合口及对称设置的可调销钉。

进一步地，所述异腔磁控管的阳极小谐振腔或阳极大谐振腔的腔壁上开缝，并与所述阻抗变换器连接。

上述进一步方案的有益效果为：本发明在输出结构加入可调销钉和同轴衰减耦合器，使得输出结构可以调节磁控管之间的匹配状态，异腔磁控管的工作状态不会因为有多个输出结构而发生显著变化。

进一步地，所述矩形波导包括圆柱调节器、中空矩形结构、第一圆柱外壁、第二圆柱外壁、第二标准法兰和第三标准法兰；

所述第一圆柱外壁和第二圆柱外壁内部形成用于进行微波能量传输的中空矩形结构；

所述第一圆柱外壁的一端和第二圆柱外壁的一端之间通过圆柱调节器连接，并通过所述圆柱调节器调节其连接长度；

所述第一圆柱外壁和第二圆柱外壁分别通过第二标准法兰和第三标准法兰与其他异腔磁控管的第一法兰连接。

上述进一步方案的有益效果为：基于上述矩形波导结构使得相连的两个异腔磁控管之间能够紧密的耦合，在矩形波导之间形成驻波，使得相连的异腔磁控管从整体上来看，总能量并没有损失。

进一步地，所述矩形波导的长度为半波长的整数倍。

本发明的有益效果为：

本发明通过同轴衰减耦合器的实时反馈信号，可以作为调节输出口销钉和长度可变矩形波导的依据，使得多个异腔磁控管的高频场紧密地耦合在一起，使得多个电子注和异腔磁控管的高频场同时发生驻波互作用，因此输出信号的频率一致，且相位相干。

(2)本发明通过调节匹配，异腔磁控管之间的匹配达到最佳状态，锁频锁相过程几乎不损失能量，非常有利于大规模阵列的调试以及组装，使得该发明技术的应用前景非常广阔，利用异腔磁控管进行锁频锁相，提升微波源的功率，具有较高的研究价值和经济效益。

(3)基于本发明结构实现锁频锁相后的高功率微波进一步进行功率合成，而且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，有较高的生产价值。

(4)本发明使得多个异腔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，这种结构使得大规模的异腔磁控管的输出信号可以相干，相干功率之和随着磁控管的数量成线性的增加。

附图说明

图1为本发明提供具有三个输出结构的22腔异腔磁控管的剖面图。

图2为本发明提供的长度可调的矩形波导的剖面图。

图3为本发明提供的带有注入信号输入口的两个异腔磁控管的互相连接耦合的剖面图。

其中：1、阳极大谐振腔；2、阳极小谐振腔；3、阴极；4、阳极桶；5、阻抗变换器；6、可调销钉；7、输出窗片；8、同轴衰减耦合口；9、第一标准法兰；10、圆柱调节器；11、中空矩形结构；12、第一圆柱外壁；13、第二圆柱外壁；14、第二标准法兰；15、第三标准法兰。

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异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，如图1所示，包括设置于异腔磁控管的输出结构中的可调销钉6和同轴衰减耦合口8；

所述可调销钉6用于调整异腔磁控管的工作状态以及各输出结构之间的能量分配；所述同轴衰减耦合口8用于监测输出或注入的能量；

所述异腔磁控管的输出结构通过长度可调的矩形波导与其他异腔磁控管连接。

在本发明实施例中，基于上述结构设置，使得一系列异腔磁控管之间产生了紧密耦合，其最重要的特征是，因为异腔磁控管受复杂的输出口的影响较大，因此在所有的输出结构中加入可调节其匹配的可调销钉6来控制器工作特性，同时加入的同轴耦合器可以实时监测异腔磁控管的输出或者注入能量，长度可变的矩形波导也显著的影响了异腔磁控管之间的匹配，因而一般会存在一个范围的最佳工作区，使得异腔磁控管阳极谐振腔中的工作模式之间产生紧密的耦合，而且在中间耦合结构中形成驻波，从而实现了锁频锁相。

在本发明的一个实施例中，图1中的输出结构包括依次连接的阻抗变换器5、输出窗片7和第一标准法兰9；

所述阻抗变换器5可调，其阻抗可以通过可调销钉6的移动来进行调节；

所述输出窗片7与第一标准法兰9之间形成的输出口中设置有同轴衰减耦合口8及对称设置的可调销钉6，本发明实施例中的同轴衰减耦合口8是根据磁控管输出已经负载关系做出了适应性的修改，使得它能够不影响正常功率输出的同时，将极少的能量耦合出来，用于功率、波形的检测等。

在本发明的一个实施例中，图1中的异腔磁控管的阳极小谐振腔2或阳极大谐振腔1的腔壁上开缝，并与所述阻抗变换器5连接。需要说明的是图1中的磁控管中的阳极大谐振腔1、阳极小谐振腔2、阴极3以及阳极桶4的具体结构并不是本申请请求保护的重点，在此不再赘述；同时，图1中的三个输出结构类似，只是在参数上略有不同。

在本发明实施例中，在谐振腔开缝时，如果都是小腔开缝，那么其耦合程度会与大腔开缝不同，因此一般来说，会统一都在大腔上开缝。

在本发明的一个实施例中，图2中的所述矩形波导包括圆柱调节器10、中空矩形结构11、第一圆柱外壁12、第二圆柱外壁13、第二标准法兰14和第三标准法兰15；

所述第一圆柱外壁12和第二圆柱外壁13内部形成用于进行微波能量传输的中空矩形结构11；所述第一圆柱外壁12的一端和第二圆柱外壁13的一端之间通过圆柱调节器10连接，并通过所述圆柱调节10器调节其连接长度；所述第一圆柱外壁12和第二圆柱外壁13分别通过第二标准法兰14和第三标准法兰15与其他异腔磁控管的第一法兰连接。

在本发明的一个实施例中，图2中的矩形波导的长度为半波长的整数倍，当异腔磁控管间的微波输出信号的相位差为180°时，矩形波导的长度为半波长的奇数倍；当异腔磁控管的微波输出信号的相位差为0°度时，所述矩形波导的长度为半波长的偶数倍。

在本发明的一个实施例中，提供了图中2矩形波导的一种结构，其中，第一圆柱外壁12的一端带有螺纹结构，第二圆柱外壁13上带有突型卡扣，圆柱调节器10上带有一端带有与第一圆柱外壁12上的螺纹结构匹配的螺纹结构，另一端设置有与突型卡扣配合的凹槽，通过调节两个螺纹结构的契合长度，进而调节矩形波导的长度，以实现相连两个异腔磁控管之间的匹配耦合。需要说明的是，其他能够调节矩形波导长度的圆柱调节器10、第一圆柱外壁12和第二圆柱外壁13的结构设置，均在本申请请求保护的范围内。

在本发明的一个实施例中，提供了上述锁频锁相及调配结构的工作原理：

在原有输出结构中加入可调销钉和一个用于探测的同轴衰减耦合口，并且通过对异腔磁控管的谐振器大腔或者小腔开缝，经过阻抗变换和相应地调配结构，通过调整输出口和互相耦合口的匹配，不仅可以将能量耦合到其余的异腔磁控管的阳极谐振腔中，使得多个异腔磁控管之间发生紧密的耦合，使其变成一个整体的电路，达到锁频锁相的目的，而且可以使得磁控管可以通过加入销钉后的原有输出口注入外部信号，频率稳定性提高数个数量级。对于异腔磁控管而言，其色散特性不同于有隔膜带的同腔系统，因此对于其用于耦合输出的阻抗变换和调配结构是不同的。通过本发明结构互相连接的异腔磁控管，其阳极谐振腔中的无论是工作的π模式还是参与竞争的π-1模式都产生了紧密的耦合，而且由于异腔磁控管的大腔或者小腔直接互连，产生的紧密耦合使得异腔磁控管之间的模式间隔和电压间隔与没有互连的异腔磁控管是基本一致的，通过动态的计算调整，多开的输出口并没有影响异腔磁控管的工作特性。因此在电子注和高频场互相作用的时候，多个电子注同时与相连的异腔磁控管中整体的驻波场(工作的π模式)发生驻波互作用，电子将其势能交给高频场，异腔磁控管输出的微波信号之间频率一致，相位相干。

在本发明的一个实施例中，提供了上述锁频锁相及调配结构的工作特点：

第一：所有的输出口都加入可调节匹配的销钉，用于调节磁控管的外部品质因素以及和其他异腔磁控管之间的匹配。

第二，所有的输出口都加入用于监测的同轴衰减耦合器，该同轴衰减耦合器监测到的反馈信号可以作为调节可变矩形波导的长度的依据。

第三、长度可调的矩形波导在半波长的奇数倍的长度下，异腔磁控管间的微波输出信号的相位差为180°而在半波长的偶数倍的长度下，异腔磁控管间的微波信号输出的相位差为0°。

第四，由于该结构下存在一个最佳工作区间，在最佳工作区间内，互相耦合产生的能量损失非常少。

第五，因为异腔磁控管受外部信号的影响较大，因此输出口不仅可以作为输出使用，而且还可以设计更多的带匹配销钉和监测的同轴衰减耦合器的输出口用于信号的直接注入，注入的信号可以是但不限于频率稳定的固态源以及放大器等产生的信号，由此整个异腔磁控管锁相阵列的频率稳定性提高了几个数量级。因为该结构可调输出匹配和互相耦合的匹配，适合大规模阵列的调试以及组装。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，有两个输出口通过图2的长度可调节的矩形波导互相连接在一起，在其输出口自带的对称可调销钉6可以控制其能量的互耦以及两个磁控管之间场的匹配，而两个对称的同轴衰减耦合口8，衰减度为60db，可以监测信号的频率和功率，因为异腔磁控管对外界负载较为敏感，所以在调节可调销钉6的时候，两个互耦磁控管的频率略微改变，同时互耦的功率也会有所变化，中间矩形波导根据频率不同时的波导波长进行调节。调节是通过旋转圆柱调节器10，此方式包括但不限于机械式调谐。可变长度使得调节可调销钉6的时候保持两个异腔磁控管之间的完美匹配，使得两个异腔磁控管的工作电场紧密地耦合，微波能量互相注入到对方的磁控管中，异腔磁控管的场变成一个整体。同时有一个或者两个输出口可以直接注入信号去锁定已经互相耦合的异腔磁控管，可调销钉6可以调节异腔磁控管与注入信号匹配。有两个输出口用于输出微波信号，这两个微波信号频率一致，相位相干。该结构不仅可以使得异腔磁控管锁频锁相，而且能够通过外部信号的注入，提高异腔磁控管的频率稳定性。锁频锁相过程几乎不损失能量，非常有利于大规模阵列的调试以及组装，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。

实施例3：

本实施例是根据工作频率f＝35GHz设计的尺寸，为了提高品质因素，应采用导电率高的纯铜为制造材料，加工完成后，可以在表面镀银或者金。阳极谐振大腔1顶端的半径为3-4mm，阳极谐振小腔2顶端的半径为2-3mm，阴极3的半径为1-2mm，阳极内导体壁厚4为1-2mm，阻抗变换器5的高度为3-4mm，宽为0.1-0.5mm，对称调谐活塞的半径为0.5-1.5mm，位置距离矩形波导端部2-3mm，深度为0.2-1mm，窗片厚度为0.5-1mm，同轴衰减耦合口的外半径为0.6-0.8mm，内半径为0.4-0.6mm。异腔磁控管的工作电压为10-20kV，磁场为1-2T，输出功率在20-30kW。锁相后的工作电压和磁场不变，输出功率也在20-30kW。注入信号的频率在34GHz-36GHz，功率为1-3kW。

以上实施例是Ka波段磁控管但所述结构不限于Ka波段，通过结构尺寸的调整，可以使该锁相结构适用于任何波段。

与其他的锁相结构相比，本发明的特点是设计信号注入口，使得异腔磁控管能够被外部稳定的信号锁定；以及在输出口上设计同轴衰减器，在异腔磁控管互相耦合的同时能反馈锁频锁相结构的工作频率以及互耦功率，通过可调的矩形波导结构调节互耦段的长度，让异腔磁控管锁频锁相达到最佳匹配状态；整个系统具有紧凑、低电压、可模块化的特点等。上述特点使得这种异腔磁控管新结构在组成阵列的场合极具开发的潜力以及价值。

Claims (3)

1.一种异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，其特征在于，包括设置于异腔磁控管的输出结构中的可调销钉(6)和同轴衰减耦合口(8)；

所述可调销钉(6)用于调整异腔磁控管的工作状态以及各输出结构之间的能量分配；所述同轴衰减耦合口(8)用于监测输出或注入的能量；

所述异腔磁控管的输出结构通过长度可调的矩形波导与其他异腔磁控管连接；

所述输出结构包括依次连接的阻抗变换器(5)、输出窗片(7)和第一标准法兰(9)；

所述阻抗变换器(5)可调；

所述输出窗片(7)与第一标准法兰(9)之间形成的输出口中设置有同轴衰减耦合口(8)及对称设置的可调销钉(6)；

所述矩形波导包括圆柱调节器(10)、中空矩形结构(11)、第一圆柱外壁(12)、第二圆柱外壁(13)、第二标准法兰(14)和第三标准法兰(15)；

所述第一圆柱外壁(12)和第二圆柱外壁(13)内部形成用于进行微波能量传输的中空矩形结构(11)；

所述第一圆柱外壁(12)的一端和第二圆柱外壁(13)的一端之间通过圆柱调节器(10)连接，并通过所述圆柱调节器(10)调节其连接长度；

所述第一圆柱外壁(12)和第二圆柱外壁(13)分别通过第二标准法兰(14)和第三标准法兰(15)与其他异腔磁控管的第一法兰连接。

2.根据权利要求1所述的异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，其特征在于，所述异腔磁控管的阳极小谐振腔(2)或阳极大谐振腔(1)的腔壁上开缝，并与所述阻抗变换器(5)连接。

3.根据权利要求1所述的异腔磁控管的锁频锁相及调配结构，其特征在于，所述矩形波导的长度为半波长的整数倍。

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