CN114783850B - 一种c波段全腔提取相对论磁控管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高功率微波技术领域。本发明提供了一种C波段全腔提取相对论磁控管，包括输入内导体(1)、输入外导体(2)、阴极(3)、阳极(4)、输出外导体(5)、第一输出内导体(6)和第二输出内导体(7)。本发明提供的C波段全腔提取相对论磁控管，具有结构紧凑、适合永磁包装以及易于模式转换等优点，同时可以实现C波段微波高功率以及高效率的输出。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种C波段全腔提取相对论磁控管。
背景技术
高功率微波通常指峰值功率大于100MW、频率在1GHz-300GHz之间的电磁波。目前，高功率微波在卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等领域得到广泛应用。
高功率微波源是产生高功率微波的核心部件，它利用强流电子束与谐振腔的相互作用来产生高功率微波。在众多的高功率微波源中，相对论磁控管(RelativisticMagnetRon，RM)由于其拥有效率高、结构紧凑、适合永磁包装等特点，一直是研究热点。但是目前RM主要工作在L或者S波段，当工作频段进一步扩展到C波段之后，其结构开始变得复杂，模式间隔度变小，提取难度也进一步增加，RM的效率以及功率容量变小。本发明提出了一种C波段全腔提取RM，实现了RM在C波段的高效率提取以及高功率微波输出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种C波段全腔提取RM，具有结构紧凑、适合永磁包装以及易于模式转换等优点，同时可以实现C波段微波高功率以及高效率的输出。
为便于描述，下文规定C波段全腔提取RM输入端为左向，其输出端为右向。
本发明的技术方案是：一种C波段全腔提取相对论磁控管，包括输入内导体1、输入外导体2、阴极3、阳极4、输出外导体5、第一输出内导体6和第二输出内导体7；
所述输入内导体1、输入外导体2、阴极3、阳极4、输出外导体5、第一输出内导体6和第二输出内导体7，均为旋转对称结构且保持中心共轴；
所述输入内导体1为内半径R1、外半径R2的圆管，轴向长度为L1；
所述输入外导体2为内半径R2、外半径R3的圆管，轴向长度为L2，且满足L2>L1；所述输入内导体1固定嵌套在所述输入外导体2内，两者左端对齐；
所述阴极3包括两个第一圆环3A和圆柱3B，所述第一圆环3A内半径为R4，外半径为R5，所述圆柱3B半径为R4，轴向长度为L3，且满足R5<R1，L3>L2；其中一个第一圆环3A固定嵌套在所述圆柱3B的右端外壁，且二者右端面对齐；另一个第一圆环3A固定嵌套在所述圆柱3B的左端外壁，且位于所述输入内导体1的右下方；所述阴极3与所述输入内导体1两者左端对齐；
所述阳极4包括若干第一扇环形导体4A和若干第二扇环形导体4B，所述第一扇环形导体4A和第二扇环形导体4B的数量、角向宽度、内半径与外半径均相同，数量均为4～6块，内半径均为R1，外半径均为R2；所述第一扇环形导体4A轴向长度为L4，所述第二扇环形导体4B轴向长度为L5，且满足L4>L5；所述第一扇环形导体4A和第二扇环形导体4B左端面对齐，沿角向交替均匀固定连接在所述输入外导体2的右端内壁上，且其左端面位于所述输入内导体1右下方的圆环3A的右上方；
所述输出外导体5包括为第二圆环5A和薄壁圆管5B，所述第二圆环5A内半径为R3、外半径为R6，所述薄壁圆管5B的内半径为R7、外半径为R6，轴向长度为L6，且满足R7>R3；所述第二圆环5A的右端与薄壁圆管5B的左端同轴固定连接；所述第二圆环5A完全固定嵌套在所述输入外导体2的右端外壁上；
所述第一输出内导体6包括若干第三扇环形导体6A，所述第三扇环形导体6A，其内半径为R2、外半径为R7，其数量及角向宽度与所述第一扇环形导体4A相同，其左端与所述第二圆环5A的右端紧密相连，其左端内壁分别与第一扇环形导体4A的右端外壁一一重合固定连接，轴向长度为L7，且满足(L4-L5)+(L3-L2)＜L7＜L6；
所述第二输出内导体7为薄壁圆筒，其圆筒壁外半径为R2，其圆筒底部与所述第一扇环形导体4A的右端固定连接，其圆筒口部与所述薄壁圆管5B对齐。
进一步地，所述第一扇环形导体4A的角向宽度为24°，其数量为5块。
进一步地，所述输入内导体1轴向长度L1为3cm～5cm，所述输入外导体2壁厚度为3mm～5mm，所述阴极3与第二扇环形导体4B两者右端对齐，所述薄壁圆管5B的壁厚度为1mm～3mm，所述第二输出内导体7的壁厚度为0.3mm～0.5mm。
进一步地，所述部件之间的固定嵌套或固定连接均采用焊接或者螺纹方式。
进一步地，所述部件均采用不锈钢或铝材。
本发明可达到以下技术效果：
(1)本发明提出一种C波段全腔提取相对论磁控管，可以针对C波段微波实现高效率高功率的微波输出，同时具有全腔提取结构的紧凑化优点。
(2)本发明可以提升C波段全腔提取相对论磁控管的提取窗口处的功率容量。
附图说明
图1为本发明所述相对论磁控管的剖面结构示意图；
图2为本发明所述相对论磁控管的三维结构剖视示意图；
图3为本发明所述阴极的三维结构和剖面示意图；
图4为本发明所述阳极的三维结构和剖面示意图；
图5为本发明所述输出外导体的三维结构和剖面示意图；
图6为本发明所述第一输出内导体的三维结构和剖面示意图；
图7为本发明所述凹形提取窗口处横截面示意图；
图8为本发明实施例中仿真输入功率示意图；
图9为本发明实施例中仿真输出功率示意图；
图10为本发明实施例中仿真输出微波频谱图。
具体实施方式
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1、图2所示，一种C波段全腔提取相对论磁控管，包括输入内导体1、输入外导体2、阴极3、阳极4、输出外导体5、第一输出内导体6和第二输出内导体7；
所述输入内导体1、输入外导体2、阴极3、阳极4、输出外导体5、第一输出内导体6和第二输出内导体7，均为旋转对称结构且保持中心共轴；
所述输入内导体1为内半径R1、外半径R2的圆管，轴向长度为L1；
所述输入外导体2为内半径R2、外半径R3的圆管，轴向长度为L2，且满足L2>L1；所述输入内导体1固定嵌套在所述输入外导体2内，两者左端对齐；
如图3所示，所述阴极3包括两个第一圆环3A和圆柱3B，所述第一圆环3A内半径为R4，外半径为R5，所述圆柱3B半径为R4，轴向长度为L3，且满足R5<R1，L3>L2；其中一个第一圆环3A固定嵌套在所述圆柱3B的右端外壁，且二者右端面对齐；另一个第一圆环3A固定嵌套在所述圆柱3B的左端外壁，且位于所述输入内导体1的右下方；所述阴极3与所述输入内导体1两者左端对齐；
如图4所示，所述阳极4包括若干第一扇环形导体4A和若干第二扇环形导体4B，所述第一扇环形导体4A和第二扇环形导体4B的数量、角向宽度、内半径与外半径均相同，数量均为4～6块，内半径均为R1，外半径均为R2；所述第一扇环形导体4A轴向长度为L4，所述第二扇环形导体4B轴向长度为L5，且满足L4>L5；所述第一扇环形导体4A和第二扇环形导体4B左端面对齐，沿角向交替均匀固定连接在所述输入外导体2的右端内壁上，且其左端面位于所述输入内导体1右下方的第一圆环3A的右上方；
如图5所示，所述输出外导体5包括为第二圆环5A和薄壁圆管5B，所述第二圆环5A内半径为R3、外半径为R6，所述薄壁圆管5B的内半径为R7、外半径为R6，轴向长度为L6，且满足R7>R3；所述第二圆环5A的右端与薄壁圆管5B的左端同轴固定连接；所述第二圆环5A完全固定嵌套在所述输入外导体2的右端外壁上；
如图6所示，所述第一输出内导体6包括若干第三扇环形导体6A，所述第三扇环形导体6A，其内半径为R2、外半径为R7，其数量及角向宽度与所述第一扇环形导体4A相同，其左端与所述第二圆环5A的右端紧密相连，其左端内壁分别与第一扇环形导体4A的右端外壁一一重合固定连接，轴向长度为L7，且满足(L4-L5)+(L3-L2)＜L7＜L6；
所述第二输出内导体7为薄壁圆筒，其圆筒壁外半径为R2，其圆筒底部与所述第一扇环形导体4A的右端固定连接，其圆筒口部与所述薄壁圆管5B对齐。
优选地，所述第一扇环形导体4A的角向宽度为24°，其数量为5块；所述输入内导体1轴向长度L1为3cm～5cm，所述输入外导体2壁厚度为3mm～5mm，所述阴极3与第二扇环形导体4B两者右端对齐，所述薄壁圆管5B的壁厚度为1mm～3mm，所述第二输出内导体7的壁厚度为0.3mm～0.5mm；所述部件之间的固定嵌套或固定连接均采用焊接或者螺纹方式；所述部件均采用不锈钢或铝材。
使用时，阴极3是直接固定在磁控管的左端设备强流二极管上；C波段全腔提取RM，其左端与脉冲功率源器件的右端通过焊接或法兰相连，其右端与圆锥形喇叭天线通过焊接或法兰相连，天线通过加入介质密封板实现右端密封，并且喇叭天线连接抽真空系统，使整个系统处于真空状态。
本发明的工作原理为：脉冲高电压通过左端馈入到磁控管中，受直流电场与轴向磁场的作用，束波作用区自激产生高频场，电子受高频场调制，将能量传输到高频场，而后高频场沿轴向传播至提取结构，再眼径向传输到扇形波导中模式转变为TE51模式，再进入同轴波导，转换为TEM模式。
按照本发明设计，如图7所示，由于提取窗口为凹形提取窗口，使得提取窗口的面积增大，在相同的面功率密度条件下，提取的微波功率和效率都得到了提升，因此也提升了提取窗口功率容量。此外，相较于传统提取窗口结构C波段RM，本发明提出的C波段全腔提取RM的输出微波稳定性更高。如图8至图10所示，仿真结果如下：在输入电压为650kV、电流6.2kA、磁场0.346T条件下，输出的微波频率为4.33GHz、平均功率2.3GW，工作效率为57％。
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局限于上述实施例，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。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。
Claims (5)
1.一种C波段全腔提取相对论磁控管，其特征在于：包括输入内导体(1)、输入外导体(2)、阴极(3)、阳极(4)、输出外导体(5)、第一输出内导体(6)和第二输出内导体(7)；
所述输入内导体(1)、输入外导体(2)、阴极(3)、阳极(4)、输出外导体(5)、第一输出内导体(6)和第二输出内导体(7)，均为旋转对称结构且保持中心共轴；
所述输入内导体(1)为内半径R1、外半径R2的圆管，轴向长度为L1；
所述输入外导体(2)为内半径R2、外半径R3的圆管，轴向长度为L2，且满足L2>L1；所述输入内导体(1)固定嵌套在所述输入外导体(2)内，两者左端对齐；
所述阴极(3)包括两个第一圆环(3A)和圆柱(3B)，所述第一圆环(3A)内半径为R4，外半径为R5，所述圆柱(3B)半径为R4，轴向长度为L3，且满足R5<R1，L3>L2；其中一个第一圆环(3A)固定嵌套在所述圆柱(3B)的右端外壁，且二者右端面对齐；另一个第一圆环(3A)固定嵌套在所述圆柱(3B)的左端外壁，且位于所述输入内导体(1)的右下方；所述阴极(3)与所述输入内导体(1)两者左端对齐；
所述阳极(4)包括若干第一扇环形导体(4A)和若干第二扇环形导体(4B)，所述第一扇环形导体(4A)和第二扇环形导体(4B)的数量、角向宽度、内半径与外半径均相同，数量均为4～6块，内半径均为R1，外半径均为R2；所述第一扇环形导体(4A)轴向长度为L4，所述第二扇环形导体(4B)轴向长度为L5，且满足L4>L5；所述第一扇环形导体(4A)和第二扇环形导体(4B)左端面对齐，沿角向交替均匀固定连接在所述输入外导体(2)的右端内壁上，且其左端面位于所述输入内导体(1)右下方的第一圆环(3A)的右上方；
所述输出外导体(5)包括为第二圆环(5A)和薄壁圆管(5B)，所述第二圆环(5A)内半径为R3、外半径为R6，所述薄壁圆管(5B)的内半径为R7、外半径为R6，轴向长度为L6，且满足R7>R3；所述第二圆环(5A)的右端与薄壁圆管(5B)的左端同轴固定连接；所述第二圆环(5A)完全固定嵌套在所述输入外导体(2)的右端外壁上；
所述第一输出内导体(6)包括若干第三扇环形导体(6A)，所述第三扇环形导体(6A)，其内半径为R2、外半径为R7，其数量及角向宽度与所述第一扇环形导体(4A)相同，其左端与所述第二圆环(5A)的右端紧密相连，其左端内壁分别与第一扇环形导体(4A)的右端外壁一一重合固定连接，轴向长度为L7，且满足(L4-L5)+(L3-L2)＜L7＜L6；
所述第二输出内导体(7)为薄壁圆筒，其圆筒壁外半径为R2，其圆筒底部与所述第一扇环形导体(4A)的右端固定连接，其圆筒口部与所述薄壁圆管(5B)对齐。
2.根据权利要求1所述的C波段全腔提取相对论磁控管，其特征在于，所述第一扇环形导体(4A)的角向宽度为24°，其数量为5块。
3.根据权利要求2所述的C波段全腔提取相对论磁控管，其特征在于，所述输入内导体(1)轴向长度L1为3cm～5cm，所述输入外导体(2)壁厚度为3mm～5mm，所述阴极(3)与第二扇环形导体(4B)两者右端对齐，所述薄壁圆管(5B)的壁厚度为1mm～3mm，所述第二输出内导体(7)的壁厚度为0.3mm～0.5mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的C波段全腔提取相对论磁控管，其特征在于，所述部件之间的固定嵌套或固定连接均采用焊接或者螺纹方式。
5.根据权利要求4所述的C波段全腔提取相对论磁控管，其特征在于，所述部件均采用不锈钢或铝材。
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