CN114823251A - 一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管 - Google Patents

一种基于分支馈电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分支馈电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。包括两个结构相同、轴向级联的高频系统；两高频系统的阳极外壳连接处的内壁设置有耦合结构；耦合结构为环形柱状结构，耦合结构还设置有扇形通道，用于连通未设置矩形缝隙的谐振腔；该相对论磁控管通过分支馈电结构馈电，分支馈电结构包括馈电杆、圆柱形腔体通道、馈电结构外壳；馈电杆穿过圆柱形腔体通道，一端连接阴极连接杆的中点位置，另一端为输入端。本发明通过分支馈电结构对两个阴极电子发射结构进行平衡馈电，使阴极电子发射结构的电流幅值减半，大幅度降低互作用区内角向感应磁场，再结合耦合机构，从而实现了锁频锁相效果。

Description

一种基于分支馈电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ToddA.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均采用单端馈电方式，相对论磁控管的强流效应导致阴极近驱动源一侧有较强电流通过，引发感生磁场干扰磁控管工作状态，导致锁频锁相失败。
为克服角向感应磁场对磁控管运行状态的干扰，单端馈电的锁频锁相方案对级联各相对论磁控管之间的耦合度要求较高。
发明内容
为了克服上述技术的不足，本发明在级联相对论磁控管的结构的基础上，提供了一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，解决了级联相对论磁控管中角向感应磁场过强导致锁频锁相难度过大的问题。本发明驱动源的电流通过设置于两高频结构之间的分支馈电结构流入，再通过阴极连接杆均匀分配给两个阴极电子发射结构，使阴极电子发射结构的电流幅值减半，大幅度降低互作用区内角向感应磁场，从而降低级联锁相的难度。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，包括两个结构相同、轴向级联的高频系统；
所述高频系统为同腔结构或异腔结构；
所述高频系统，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N个扇形阳极叶片，N为偶数且18≥N≥6；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；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；两个高频系统的阴极电子发射结构之间通过阴极连接杆连接固定；
所述耦合缝隙，包括N/2个均匀设置于阳极外壳上的矩形缝隙，用于将谐振腔中的能量径向耦合输出；
其特征在于，两高频系统的阳极外壳轴向连接，阳极外壳的另一端设置有封闭面；所述封闭面与扇形阳极叶片之间的圆柱形腔体为端部空间；
阳极外壳连接处的内壁设置有耦合结构；所述耦合结构为环形柱状结构，其两端连接扇形阳极叶片的端面，且耦合结构的内半径与扇形阳极叶片的内半径相同；所述耦合结构还设置有N/2个扇形通道，用于连通未设置矩形缝隙的谐振腔；
所述轴向级联相对论磁控管通过分支馈电结构馈电，所述分支馈电结构包括从内至外同轴设置的馈电杆、圆柱形腔体通道、馈电结构外壳；所述馈电结构外壳的一端与阳极外壳连接、另一端连接脉冲驱动源外壳；所述圆柱形腔体通道包括馈电结构外壳内的腔体部分、设置于耦合结构的开孔部分；所述馈电杆穿过圆柱形腔体通道，一端连接阴极连接杆的中点位置，另一端连接连接脉冲形成线的内导体。
进一步地，所述耦合结构沿轴向的长度为0.4～2.6倍工作波长。
进一步地，所述圆柱形腔体通道的半径为8～38mm。
进一步地，所述馈电杆与阴极连接杆的半径相同。
本发明的级联相对论磁控管的工作原理是：通过分支馈电结构对两个阴极电子发射结构进行平衡馈电，方向相背流动的两路阴极电流产生的角向感应磁场自旋方向相反，每一端驱动电流感生角向磁场的最大幅度约为单端馈电方案的一半。同时，自旋方向相反的两个角向感应磁场成分会在轴向各个位置相互消减，特别是在轴向正中位置的角向磁场近似完全抵消，大幅消除了角向感应磁场对磁控管工作状态和锁频锁相的干扰。
本发明有益效果是：(1)分支馈电结构使流过阴极连接杆的电流强度降至单端馈电的一半，降低了角向感应磁场对相对论磁控管锁频锁相运行的干扰。(2)分支馈电产生的两个角向感应磁场幅度相等、自旋方向相反，可以在轴向正中位置大幅度消除角向感应磁场的影响，提高了磁控管的模式纯度与频谱纯度(3)与其他强化级联相对论磁控管耦合度的技术相结合，可以取得极佳的锁频锁相效果。
附图说明
图1为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的整体结构示意图；
图2为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的纵向剖视图；
图3为实施例馈电部分结构示意图；
图4为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的横向剖视图；
图5为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的耦合结构示意图；
图6为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的纵向截面示意图；
图7为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的横向截面尺寸标注图；
图8为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的输出信号功率图；
图9为实施例基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的输出信号频谱图。
附图标记说明：1、阴极，2、阳极，3、分支馈电结构，4、能量提取结构，5、耦合结构，11、阴极电子发射结构，12、阴极连接杆，21、扇形阳极叶片，22、阳极外壳，31、馈电杆，32、馈电结构外壳，33、圆柱形腔体通道，41、矩形波导传输段，42、耦合缝隙，51、耦合结构，52、扇形通道。
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7为本实施例的基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管的示意图，该磁控管包括两个结构相同、轴向级联的高频系统；高频系统为8腔旭日型异腔结构。
高频系统包括阴极、阳极、能量提取结构；
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8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，谐振腔分为交错设置的大谐振腔、小谐振腔。两高频系统的阳极外壳轴向连接，阳极叶片的端面间距为105mm；阳极外壳的另一端设置有封闭面，所述封闭面与扇形阳极叶片之间的圆柱形腔体为端部空间，其高度为25mm。其中阳极外壳内半径Rv2为36mm；扇形阳极叶片的高度为54mm，内半径Ra为16mm，张角
Figure BDA0003586856810000051
为25deg；小谐振腔张角
Figure BDA0003586856810000053
为20deg，外半径Rv1为28mm；大谐振腔张角
Figure BDA0003586856810000052
为20deg，外半径Rv2为36mm。
阳极外壳连接处的内壁设置有耦合结构；所述耦合结构为环形柱状结构，其两端连接扇形阳极叶片的端面，且耦合结构的内半径与扇形阳极叶片的内半径相同；耦合结构还设置有4个扇形通道，扇形通道的横截面与小谐振腔尺寸相同，用于连通两个高频系统的小谐振腔。
阴极包括半径Rc为7mm，高度为52mm的圆柱形阴极电子发射结构；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；两个高频系统的阴极电子发射结构之间通过半径为3mm的阴极连接杆连接固定。
能量提取结构包括耦合缝隙、矩形波导传输段，耦合缝隙包括4个均匀设置于阳极外壳上的矩形缝隙，用于将大谐振腔中的能量径向耦合到矩形波导传输段输出。其中耦合缝隙的宽边为56mm，窄边w为8mm；矩形波导传输段的宽边为56mm，窄边为28mm。
所述轴向级联相对论磁控管通过分支馈电结构馈电，所述分支馈电结构包括从内至外同轴设置的半径为3mm的馈电杆、半径为8mm的圆柱形腔体通道、馈电结构外壳；所述馈电结构外壳的一端与阳极外壳连接、另一端连接脉冲驱动源外壳；所述圆柱形腔体通道包括馈电结构外壳内的腔体部分、设置于耦合结构的开孔部分；所述馈电杆穿过圆柱形腔体通道，一端连接阴极连接杆的中点位置，另一端连接连接脉冲形成线的内导体。
按照上述实施例模拟实现了工作频率为2.68GHz的基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，工作在π模时，从8个矩形波导传输段输出的微波具有一致的幅度和相位。从仿真图8-9上看出，在工作电压为450kV，轴向引导磁场为0.38T的条件下，相邻级联磁控管在6ns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 (5)

1.一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，包括两个结构相同、轴向级联的高频系统；
所述高频系统为同腔结构或异腔结构；
所述高频系统，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N个扇形阳极叶片，其中N为偶数；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；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；两个高频系统的阴极电子发射结构之间通过阴极连接杆连接固定；
所述耦合缝隙，包括N/2个均匀设置于阳极外壳上的矩形缝隙，用于将谐振腔中的能量径向耦合输出；
其特征在于，两高频系统的阳极外壳轴向连接，阳极外壳的另一端设置有封闭面；所述封闭面与扇形阳极叶片之间的圆柱形腔体为端部空间；
阳极外壳连接处的内壁设置有耦合结构；所述耦合结构为环形柱状结构，其两端连接扇形阳极叶片的端面，且耦合结构的内半径与扇形阳极叶片的内半径相同；所述耦合结构还设置有N/2个扇形通道，用于连通未设置矩形缝隙的谐振腔；
所述轴向级联相对论磁控管通过分支馈电结构馈电，所述分支馈电结构包括从内至外同轴设置的馈电杆、圆柱形腔体通道、馈电结构外壳；所述馈电结构外壳的一端与阳极外壳连接、另一端连接脉冲驱动源外壳；所述圆柱形腔体通道包括馈电结构外壳内的腔体部分、设置于耦合结构的开孔部分；所述馈电杆穿过圆柱形腔体通道，一端连接阴极连接杆的中点位置，另一端连接连接脉冲形成线的内导体。
2.如权利要求1所述的一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述耦合结构沿轴向的长度为0.4～2.6倍工作波长。
3.如权利要求1所述的一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述圆柱形腔体通道的半径为8～38mm。
4.如权利要求1所述的一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述馈电杆与阴极连接杆的半径相同。
5.如权利要求1所述的一种基于分支馈电结构锁频锁相的轴向级联相对论磁控管，其特征在于，所述扇形阳极叶片的数量N的取值范围为18≥N≥6。
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