CN114783848B - 基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管 - Google Patents

基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，属于微波技术领域。该磁控管包括若干个高频系统，相邻两高频系统之间通过脊圆波导耦合结构轴向级联。脊圆波导耦合结构可以在降低径向空间占用的前提下提高耦合度，高频电磁场通过脊圆波导耦合结构从一个高频系统传入相邻高频系统中，实现两管内电磁谐振频率同步和高频电磁场相位锁定。

Description

基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种可以锁频锁相运行的轴向级联相对论磁控管。
背景技术
从实用型高功率微波系统角度出发，高功率微波系统的发展主要集中在以下方面：(1)系统的小型化和紧凑化，提高功耗比；(2)高重复频率工作；(3)频率可调谐；(4)多频输出；(5)锁相阵列输出与功率合成。相对论磁控管自诞生以来，由于其具有紧凑性和高效率的特点，一直备受关注。为了满足未来高功率微波源的发展应用需求，具有高输出功率、高转换效率、适合长脉冲和高重复频率运行、锁频锁相多端口输出等特点的相对论磁控管成为了人们重点研究目标。
按拓扑结构分类，目前已经提出的相对论磁控管锁相方法有3类，分别为等位锁相、注入锁相、级联锁相。1989年，美国Physics International公司James N.Benford等提出等位锁相的相对论磁控管，使用矩形波导连接2个平行放置的A6相对论磁控管的输出端口实现锁定，并使用其余的端口进行微波输出，在两个磁控管共同工作的情况下获得了约3GW的输出功率。1991年，美国Varian Associates股份有限公司Todd A.Treado等提出注入锁相的相对论磁控管，利用S波段3MW同轴磁控管对相对论磁控管的一个端口注入功率，实验测得相对论磁控管在锁相情况下可产生52MW的输出功率。1992年，美国GeneralDynamics集团Keith G.Kato等提出级联锁相的相对论磁控管，将4个八腔磁控管的阳极沿轴向等间距排布，各管中对应的阴极被连为一体，拟在16个输出端口获得总和高于1GW的输出功率。2015年，美国Raytheon公司Andrey D.Andreev提出利用轴向隔模带连接相邻磁控管的阳极块实现级联锁定的孔槽型常规磁控管。
多个相对论磁控管级联排列时，将有数倍于单个磁控管工作电流的强电流流过靠近加速器一端的阴极杆，在注-波互作用区引起幅值与轴向外加磁场比拟的角向感应磁场，进而引发电子轴向漂移、工作模式跳变、频率推移效应和脉冲缩短效应，导致级联相对论磁控管锁频锁相失败。
目前提出的级联锁相方案的耦合方式较为单一，级联锁相相对论磁控管主要通过拉近相邻磁控管的间距实现高频电磁场交互，级联锁相常规功率磁控管利用轴向隔模带导通相邻磁控管中的阳极块实现电耦合，两种方案在实际应用中仍然存在较多限制。
拉近相邻阳极块的距离，会改变谐振系统的结构特征，进而改变磁控管的各个本征模式的耦合阻抗，易导致磁控管预期工作模式的工作区变窄，损失了一定的电子调谐范围，对外加阳极电压和外加轴向磁场的调控精度提出了更高的要求，降低了磁控管实用性。同时，相邻磁控管提取通道的轴向间距过小会提高结构设计难度，降低了布局的灵活性。
轴向隔模带设计方案在级联常规功率磁控管中运行效果较好，但是在级联相对论磁控管中难以达到理想工作状态。流过级联相对论磁控管阴极的强电流，在阴极和阳极之间的注-波互作用区域引起较强的角向感生磁场，与阴极和阳极之间的径向电场共同推动电子做轴向漂移运动，导致级联的各个磁控管互作用区内电子密度分布失衡，进一步导致各管的输出功率差异过大。较强的角向电场存在易激励起轴向的高次谐波模式，与基模工作频点存在较大差异。仅用常规的隔模带结构难以实现相位锁定。
发明内容
为了克服上述技术不足，本发明在一种级联相对论磁控管的结构的基础上，提出了一种基于脊圆波导耦合结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，解决了传统级联相对论磁控管中相邻两高频系统距离较远时耦合度不足以克服角向感应磁场的干扰实现锁相的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，包括若干个高频系统；所述高频系统均为同腔结构或均为异腔结构；
所述高频系统，均包括阴极、阳极、耦合缝隙；
所述阳极，包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的若干扇形阳极叶片，且各高频系统中的扇形阳极叶片数量相同；相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔；
所述阴极，包括阴极电子发射结构、阴极连接杆、阴极端帽；所述阴极电子发射结构设置于阳极外壳内部腔体的中心位置，且与阳极外壳同轴；所述阴极端帽包括两个对称设置于阴极电子发射结构两端的圆柱形端帽；所述阴极电子发射结构与阴极端帽之间通过阴极连接杆连接固定；
所述耦合缝隙设置于阳极外壳上，用于将谐振腔中的能量径向耦合输出；
其特征在于，相邻两高频系统之间通过脊圆波导耦合结构轴向级联；
所述脊圆波导耦合结构，包括耦合段外壳、阴极过渡连接杆、阳极叶片过渡结构、谐振腔过渡结构；
所述耦合段外壳与相邻两高频系统的阳极外壳相连，使内部腔体封闭；相邻两高频系统的阴极端帽通过阴极过渡连接杆相连；
所述阳极叶片过渡结构，包括叶片均匀过渡段、以及对称设置于其两端的叶片渐变段；所述叶片渐变段用于使扇形阳极叶片与叶片均匀过渡段线性过渡连接；所述扇形阳极叶片、叶片均匀过渡段和叶片线性渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同；所述叶片均匀过渡段的内半径大于扇形阳极叶片的内半径；
所述谐振腔过渡结构，包括扇形腔均匀过渡段、以及对称设置于其两端的扇形腔渐变段；所述扇形腔渐变段用于使谐振腔与扇形腔均匀过渡段线性过渡连接；所述谐振腔、扇形腔均匀过渡段和扇形腔渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同；所述扇形腔均匀过渡段的外半径大于其两端连通的谐振腔的外半径。
进一步地，所述脊圆波导耦合结构的轴向长度da为0.5～4倍工作波长。
进一步地，所述叶片均匀过渡段的轴向长度dti为0.1da～0.3da，所述扇形腔均匀过渡段的轴向长度为0.4da～0.8da；当高频系统为异腔结构时，大谐振腔和小谐振腔对应的扇形腔均匀过渡段的轴向长度可以相同，也可以不同。
进一步地，位于两个高频系统之间的阴极端帽，伸入脊圆波导耦合结构的腔体内。
进一步地，所述扇形阳极叶片的内半径Ra与所述叶片均匀过渡段的内半径Rti的差值为0.1Ra～Ra。
进一步地，所述谐振腔的外半径Rv与其连通的所述均匀过渡扇形腔的外半径的差值为0.1Rv～Rv。
进一步地，所述阴极端帽为圆柱体结构。
本发明的级联相对论磁控管的工作原理是：两级高频系统由脊圆波导耦合结构连通，在相对论磁控管工作时，脊圆波导耦合结构能够实现两级高频系统谐振腔的高频场的状态同步，经过一定的锁相过程后，两个高频系统的谐振相位差达到稳态，此时由能量提取结构获得的高功率微波输出信号均满足相位锁定条件。在脊圆波导锁相相对论磁控管结构中，脊圆波导耦合结构可以在降低径向空间占用的前提下提高耦合度，当两个高频系统的轴向间距为工作波长的整数倍且均工作在π模时，可实现两管内电磁谐振频率的同步和高频电磁场相位锁定，且相位差接近于0度。
本发明有益效果是：(1)级联磁控管中的相邻阳极叶片可以具有较大间距，避免了工作模式跳变，提高了模式纯净度。(2)脊圆波导耦合结构在保证较强的管间耦合度的前提下，较大的阳极间距提供了足够大的阳极端部空间，改善了由于互作用区中爆炸式发射产生的等离子体所带来的脉冲缩短、频率漂移、效率降低等问题。(3)足够大的阳极轴向间距解决了相邻管间输出结构距离过近的问题，提高了结构设计灵活性，有利于级联式锁相相对论磁控管的实用化。
附图说明
图1为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的整体结构示意图；
图2为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的纵向剖视图；
图3为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的磁控管的横向剖视图；
图4为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的耦合结构的横向剖视图；
图5为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的纵截面尺寸标注图；
图6为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的耦合结构横截面尺寸标注图；
图7为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的输出信号功率图；
图8为实施例脊圆波导耦合结构级联相对论磁控管的输出信号频谱图。
附图标号说明：1、阴极，2、阳极，3、脊圆波导耦合结构，4、输出结构，11、阴极电子发射结构，12、阴极连接杆，13、阴极端帽，14、阴极过渡连接杆，21、扇形阳极叶片，22、阳极外壳，23、端部空间，31、阳极叶片过渡结构，32、大谐振腔过渡结构，33、小谐振腔过渡结构，34、叶片渐变段，35、叶片均匀过渡段，36、大谐振腔对应的扇形腔渐变段，37、大谐振腔对应的扇形腔均匀过渡段，38、小谐振腔对应的扇形腔渐变段，39、小谐振腔对应的扇形腔均匀过渡段，41、矩形波导，42、耦合缝隙。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
图1～图6为本实施例的脊圆波导耦合级联相对论磁控管结构示意图，该级联相对论磁控管包括两个尺寸相同的高频系统，两个高频系统之间通过脊圆波导耦合结构轴向级联，当工作在π模时，从两个高频系统阳极引出的10个矩形波导提取口将获得相位一致、幅度相仿的微波输出。
本实施例中的高频结构为具有10个谐振腔的旭日型异腔结构，包括阴极、阳极、耦合缝隙。其中阳极包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的10个扇形阳极叶片，相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔。阳极外壳的内半径Rv2为80mm，阳极叶片的内半径Ra为30mm、轴向长度ha为130mm，小谐振腔半径Rv1为60mm，大谐振腔半径即阳极外壳的内半径Rv2为80mm。阳极叶片张角
Figure BDA0003540056100000051
为16deg，小谐振腔张角/>
Figure BDA0003540056100000052
和大谐振腔张角/>
Figure BDA0003540056100000053
均为20deg；两高频系统阳极块相背的两端分别存在半径Res为80mm、轴向长度hes为40mm的端部空间。
所述阴极，包括设置于阳极外壳内部且与阳极外壳同轴的圆柱形阴极电子发射结构，其半径Rc为20mm、轴向长度hc为80mm。阴极电子发射结构的两端分别设置有一个半径Rcap为20mm、轴向长hcap为10mm的圆柱体阴极端帽，每一高频系统内的两个阴极端帽间距dcap为136mm。
所述阴极连接杆为半径为8mm的圆柱体结构，用于连接并支撑阴极电子发射结构和阴极端帽。
所述耦合缝隙为设置于阳极外壳上的5个矩形缝隙，矩形缝隙宽边a和窄边w的尺寸为90x10mm，每个矩形缝隙外设置有矩形波导，宽边a和窄边b的尺寸为90x50mm，用于将谐振腔中的能量径向耦合输出。
所述脊圆波导耦合结构的轴向长度da为160mm，包括耦合段外壳、阴极过渡连接杆、阳极叶片过渡结构、谐振腔过渡结构。
所述耦合段外壳与相邻两高频系统的阳极外壳相连，使内部腔体封闭；相邻两高频系统的阴极端帽通过半径为8mm的阴极过渡连接杆相连。
所述阳极叶片过渡结构，包括叶片均匀过渡段、以及对称设置于其两端的叶片渐变段；所述叶片渐变段用于使扇形阳极叶片与叶片均匀过渡段线性过渡连接；所述扇形阳极叶片、叶片均匀过渡段和叶片线性渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同，即
Figure BDA0003540056100000061
所述叶片均匀过渡段的内半径Rti为35mm、轴向长度dri为128mm。
由于高频结构为旭日型异腔结构，因此本实施例中谐振腔过渡结构包括大谐振腔过渡结构和小谐振腔过渡结构，大、小谐振腔过渡结构均包括扇形腔均匀过渡段、以及对称设置于其两端的扇形腔渐变段，用于使谐振腔与对应的扇形腔均匀过渡段线性过渡连接；其中扇形腔均匀过渡段和扇形腔渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同，即
Figure BDA0003540056100000062
大谐振腔对应的扇形腔均匀过渡段的半径Rt2为85mm、轴向长度dv2为80mm；小谐振腔对应的扇形腔均匀过渡段的半径Rt1为97mm、轴向长度dv1为112mm。
按照上述实施例模拟实现了工作频率为2.70GHz的虚阴极倒置轴向级联相对论磁控管。从仿真图7-8上看出，在工作电压为450kV，轴向引导磁场为0.55T的条件下，相邻级联磁控管在8ns时刻实现相位锁定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，包括若干个高频系统；所述高频系统均为同腔结构或均为异腔结构；
所述高频系统，均包括阴极、阳极、耦合缝隙；
所述阳极，包括圆筒形的阳极外壳、设置于阳极外壳内沿圆周均匀分布的若干扇形阳极叶片，且各高频系统中的扇形阳极叶片数量相同；相邻两扇形阳极叶片之间的扇形腔为谐振腔；
所述阴极，包括阴极电子发射结构、阴极连接杆、阴极端帽；所述阴极电子发射结构设置于阳极外壳内部腔体的中心位置，且与阳极外壳同轴；所述阴极端帽包括两个对称设置于阴极电子发射结构两端的圆柱形端帽；所述阴极电子发射结构与阴极端帽之间通过阴极连接杆连接固定；
所述耦合缝隙设置于阳极外壳上，用于将谐振腔中的能量径向耦合输出；
其特征在于，相邻两高频系统之间通过脊圆波导耦合结构轴向级联；
所述脊圆波导耦合结构，包括耦合段外壳、阴极过渡连接杆、阳极叶片过渡结构、谐振腔过渡结构；
所述耦合段外壳与相邻两高频系统的阳极外壳相连，使内部腔体封闭；相邻两高频系统的阴极端帽通过阴极过渡连接杆相连；
所述阳极叶片过渡结构，包括叶片均匀过渡段、以及对称设置于其两端的叶片渐变段；所述叶片渐变段用于使扇形阳极叶片与叶片均匀过渡段线性过渡连接；所述扇形阳极叶片、叶片均匀过渡段和叶片线性渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同；所述叶片均匀过渡段的内半径大于扇形阳极叶片的内半径；
所述谐振腔过渡结构，包括扇形腔均匀过渡段、以及对称设置于其两端的扇形腔渐变段；所述扇形腔渐变段用于使谐振腔与扇形腔均匀过渡段线性过渡连接；所述谐振腔、扇形腔均匀过渡段和扇形腔渐变段的横向截面均为扇形，且对应的圆心角相同；所述扇形腔均匀过渡段的外半径大于其两端连通的谐振腔的外半径。
2.如权利要求1所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，位于两个高频系统之间的阴极端帽，伸入脊圆波导耦合结构的腔体内。
3.如权利要求2所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，所述脊圆波导耦合结构的轴向长度da为0.5~4倍工作波长。
4.如权利要求3所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，所述叶片均匀过渡段的轴向长度dti为0.4 da ~ 0.8 da，所述扇形腔均匀过渡段的轴向长度为0.4 da~ 0.8 da。
5.如权利要求3或4所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，所述扇形阳极叶片的内半径Ra与所述叶片均匀过渡段的内半径Rti的差值为0.1Ra ~ Ra。
6.如权利要求3或4所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，所述谐振腔的外半径Rv与其连通的所述扇形腔均匀过渡段的外半径的差值为0.1Rv ~ Rv。
7.如权利要求3或4所述的一种基于脊圆波导耦合结构实现的级联锁相相对论磁控管，其特征在于，所述阴极端帽为圆柱体结构。
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