CN115020170A - 一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域同轴相对论速调管放大器的输入腔，具体涉及一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，属于高功率微波技术领域，其包括外导体、第一内导体、第二内导体、注入圆波导、弯曲波导、输入腔间隙、左端漂移管、右端漂移管和支撑杆组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，在保证输入腔高吸收率的基础上解决现有外馈入式输入腔分断导引磁场、大过模比情况下易激励非旋转对称模式两大难题，对类似的相对论速调管放大器所需的输入腔设计具有重要借鉴意义。

Description

一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域同轴相对论速调管放大器的输入腔，具体涉及一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，属于高功率微波技术领域。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave,HPM)通常是指功率大于100MW，频率处于1GHz～300GHz的电磁波。高功率微波技术是传统电真空器件向更高输出功率水平的拓展，其广泛应用于雷达、功率传送、等离子体加热、高能粒子加速、定向能等研究领域。高功率微波源是高功率微波系统的核心部件，其基于强流相对论电子束(Intense RelativisticElectron Beam,IREB)与高频结构的相互作用而产生高功率微波。
追求高功率水平的微波输出一直是高功率微波源的重要发展方向，随着高功率微波源技术的不断进步，目前单台高功率微波源的输出功率已到达10GW水平。然而，受到腔内强场击穿、空间电荷效应等物理机制以及材料水平、加工工艺等限制，单个高功率微波源的输出功率存在物理限制。为了使高功率微波系统的辐射功率水平获得进一步提升，高功率微波相干合成技术应运而生，其将多个微波源器件的输出微波进行功率合成，可以极大地提高现有HPM系统的微波输出能力，为达到较高的合成效率，相干功率合成对各微波源器件输出微波的锁频、锁相特性提出了很高的要求。在诸多微波源器件中，相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier,RKA)具有输出微波频率稳定、相位可控等优点，是HPM相干合成的优选器件之一，因此受到广泛的关注和研究。
相对论速调管放大器(RKA)的典型结构一般包含三个谐振腔，即输入腔、群聚腔和提取腔。RKA的输出微波频率与相位受控于注入种子射频信号，通常，注入微波信号由大功率射频种子源产生，经矩形波导注入链路至RKA输入腔，在输入腔中建立起高频谐振场，进而对电子束进行初始调制。目前的同轴RKA普遍采用的是一种外馈入式的输入腔结构。
一种典型的采用外馈入式输入腔结构的RKA是【Jinchuan Ju,Jun Zhang,TingShu,and Huihuang Zhong.An Improved X-Band Triaxial Klystron Amplifier forGigawatt Long-Pulse High-Power Microwave Generation[J].IEEE Electron DeviceLetters,vol.38,no.2,February 2017.】(以下称为现有技术1)中提出的一种改进型X波段三轴相对论速调管放大器。器件结构模型如图1所示，其主要由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、内导体104、输入腔105、反射腔106、群聚腔107、提取腔108、收集极109、反馈环110、支撑杆111、输出波导112和两段螺线管磁场113a、113b组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。其外馈入式输入腔的放大图如图2所示，该输入腔由阳极外筒103、内导体104、注入波导114、传输波导115、输入腔左侧漂移管116、输入腔间隙117、输入腔右侧漂移管118组成，整体结构关于中心轴线旋转对称。阳极外筒103为一空心圆筒；内导体104为一实心圆柱，其外侧挖有输入腔间隙117的凹槽；注入波导114为侧向双端口结构，其内半径为R1，宽度为L1，外部注入信号通过注入波导114进入器件之中；传输波导115为一“7”字形的弯曲波导，其内半径为R1，外半径为R2，长度为L2，具有模式转换的功能；输入腔间隙117为圆环形空腔结构，内半径为R3，外半径为R2，长度为L3，电子束在输入腔间隙117处受到注入微波的调制；漂移管位于输入腔间隙117的左端和右端，电子束经过左端漂移管116进入输入腔间隙117，右端漂移管118连接反射腔和群聚腔，右端漂移管118的主要作用是将电子束的速度调制转化为密度调制；因采用了外馈入式输入腔结构，螺线管磁场由113a和113b两段组成，分别位于注入波导的左端和右端，通过设计电流大小和绕线匝数确定磁场位型和强度，对强流电子束的传输进行约束。该输入腔结构采用了侧向波导双端口外馈入结构，避免了轴向微波注入方式带来的二极管绝缘困难，降低了工程设计的系统复杂性，提高了实验可靠性，但是也带来了以下不足：(1)外馈入式的输入腔结构，需要使用两段螺线管磁场来控制磁场位型和强度，分割了导引磁场的整体性，使得导引磁场线圈变得更加复杂；(2)两段导引螺线管线圈的连接处磁场均匀度会变差，导致该位置的电子束质量变差，影响电子束的调制；(3)当器件工作在大过模比情况下时，外馈入式的输入腔结构更容易激励起非旋转对称模式，导致输出脉冲缩短；(4)采用双端口微波外馈入结构，实验中容易产生两个端口的注入微波幅度和相位不一致，进而影响输入腔间隙电场的角向均匀性，降低了电子束的调制深度。
综上所述，目前的RKA大多采用外馈入式的输入腔结构，该结构具有馈入链路简单的优点，但是外馈入式的结构需要两部分导引磁场，割裂了导引磁场的整体性，使得导引磁场线圈变得更加复杂，且两个线圈的连接处磁场均匀度会变差，导致该位置的电子束质量变差，影响电子束的调制；另一方面，外馈入的输入腔结构，在器件过模比比较大的情况下，更容易激励起非旋转对称模式，导致输出脉冲缩短，尤其在Ku等更高频段，这些问题会更加严重，考虑RKA向更高频段的进一步发展，亟需找到一种新的注入方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前外馈入式相对论速调管放大器导致的分断外部导引磁场整体性以及器件工作在大过模比情况下容易激励起非对称模式的问题，本发明提供了一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，在RKA的内导体中引入圆波导作为注入波导，在保证输入腔高吸收效率的同时保留了螺线管磁场的整体性，同时有效抑制了大过模比情况下非旋转对称模式的起振。该内馈入式输入腔结构简单、易于加工。
本发明的技术方案是：一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，其包括外导体201、第一内导体202a、第二内导体202b、注入圆波导203、弯曲波导204、输入腔间隙205、左端漂移管206a、右端漂移管206b和支撑杆207组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。
所述阳极外筒201采用无磁不锈钢材料制成，由内半径为R2、轴向长度为L1和内半径为R3、轴向长度为L12的两个圆柱筒组成，满足R2>R3，L1的取值一般为60mm-90mm，L12的取值约为工作波长λ的3.8-4倍；第一内导体202a和第二内导体202b均采用无磁不锈钢材料制成，由一个实心异形圆柱体和一个空心异形圆柱筒组成，圆柱体和圆柱筒相互嵌套：第一内导体202a为一半径为R4、轴向长度为L2的实心圆柱体，满足R4<R1，L2的取值约为工作波长λ的1.8-2.2倍，在其右侧挖出一个横截面为倒卧的“山”字结构，其中“山”字底下一横的轴向长度为L3，“山”字边上两竖的轴向长度均为L4，内半径为R5，满足R5<R4，L3的取值约为工作波长λ的0.5-0.8倍，L4的取值约为工作波长λ的0.8-1倍，“山”字中间一竖坐落在一个半径为R6，轴向长度为L5的平台上，满足R6<R5，L5的取值一般为工作波长λ的0.2-0.4倍，中间一竖的半径为R7，轴向长度为L6，满足R7<R6，L6的取值一般为工作波长λ的0.8-1.2倍；第二内导体202b为一外半径为R4、内半径为R8的空心圆柱筒，满足R7<R8<R6，且0.05λ<R8-R7<0.2λ，在圆柱筒的左侧外部挖出一个轴向长度为L7，内半径为R6，外半径为R4的圆环，L7的取值一般为工作波长λ的0.8-1倍，这样第二内导体202b左侧剩余的部分就伸入第一内导体202a右侧的异形空腔形成嵌套，两者之间的轴向距离为L8，L8的取值一般为工作波长λ的0.05-0.2倍，第一内导体202a与第二内导体202b之间的空腔形成弯曲波导204；注入圆波导203为第二内导体202b中半径为R8的圆柱形空腔，用于传输TM01模式的注入微波，注入圆波导203左端连接弯曲波导204；输入腔间隙205为阳极外筒201上正对弯曲波导204输出口的轴向长度为L9、外半径为R9的圆环状凹槽，满足R3<R9<R2，L9的取值约为工作波长λ的0.2-0.3倍；弯曲波导204用于进行注入微波的模式转换，在注入圆波导203中，注入微波为TM01模式，进入弯曲波导204中转换为同轴TEM模式，再从弯曲波导204进入输入腔间隙205中转换为TM01模式作为工作模式；左端漂移管206a和右端漂移管206b为阳极外筒201与第一内导体202a和第二内导体202b之间的圆环形空腔，分别位于输入腔间隙205的左端和右端，左端漂移管206a的长度为L3+L4，右端漂移管206b的长度为L10，L10的取值一般为工作波长λ的1.8-2.2倍，右端漂移管206b连接相对论速调管放大器的群聚腔，群聚腔结构不属于本发明范围，故在此不作进一步说明；左端漂移管206a和右端漂移管206b用于将电子束的速度调制转化为密度调制以及对器件工作模式截止，防止微波泄露到其他腔体之中；为保证一定的功率容量和对工作模式的截止，左端漂移管206a和右端漂移管206b应有一定的宽度，即满足0.4λ<R3-R4<0.5λ；支撑杆207有两排，用于支撑第一内导体202a，两排支撑杆的距离为L11，L11的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍；第二内导体202b由位于相对论速调管放大器微波输出波导位置的支撑杆进行支撑，因其支撑杆没有位于本发明的结构范围，故在此不作说明。
与现有外馈入式输入腔结构相比，本发明可以达到以下技术效果：：
(1)采用了内馈入式输入结构，注入波导位于内导体，外部导引磁场仅需一个螺线管线圈，在保证输入腔间隙高吸收率的同时保留了外部导引磁场的完整性，简化了螺线管线圈的结构，使导引磁场更加均匀，保证了电子束良好的传输品质，有利于提高束波作用效率。注入微波能量后，输入腔间隙中的微波功率随时间变化如图6所示，设定注入微波的功率为5kW，可以看到，采用内馈入式输入腔后，输入腔间隙的吸收率仍然能保证在95％以上，满足RKA器件的设计要求；采用一段螺线管产生的磁场位型和两段螺线管产生的磁场位型对比如图7所示，容易看出，采用一个螺线管线圈，其产生的导引磁场更加均匀，更有利于保证电子束的传输品质；
(2)与外馈入式的输入腔结构相比，采用内馈入式的输入腔能够保证器件工作在大过模比情况下时不易激励起非旋转对称模式。RKA器件工作在大过模比情况下时分别采用外馈入式输入腔结构和内馈入式输入腔结构时的输入腔间隙处电场分布如图8所示，可以看到，当采用外馈入式输入腔结构时，在输入腔间隙处激励起了TM11模式，为高阶非旋转对称模式，而采用本发明的内馈入输入腔结构时，输入腔间隙处的电场为纯净的TM01模式，可见采用内馈入式输入腔结构能有效抑制非旋转对称模式的起振。
附图说明
图1为背景介绍中技术1公开的相对论速调管放大器的结构示意图；
图2为背景介绍中技术1公开的相对论速调管放大器外馈入式输入腔的结构示意图；
图3为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例的A-A剖视结构示意图；
图4为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例的倒角区域放大结构示意图；
图5为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例的A-A剖视立体示意图；
图6为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例在注入微波能量时输入腔中功率随时间的变化情况示意图；
图7为采用一段螺线管产生的磁场位型和两段螺线管产生的磁场位型对比示意图；
图8为RKA器件工作在大过模比情况下时分别采用外馈入式输入腔结构和内馈入式输入腔结构时的输入腔间隙处电场分布示意图。
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。
图3为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例的A-A剖视结构示意图，图5为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例的A-A剖视立体示意图。本发明由外导体201、第一内导体202a、第二内导体202b、注入圆波导203、弯曲波导204、输入腔间隙205、左端漂移管206a、右端漂移管206b和支撑杆207组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。
本实施例实现了一种应用于Ku波段(中心频率为12.25GHz，对应工作波长λ＝24.5mm)同轴相对论速调管放大器的内馈入式输入腔(相应的尺寸设计为：R1＝30mm，R2＝45mm，R3＝35mm，R4＝25mm，R5＝21.5mm，R6＝17.5mm，R7＝7.5mm，R8＝10mm，R9＝38.5mm，L1＝80mm，L2＝47mm，L3＝16mm，L4＝24mm，L5＝6.5mm，L6＝24.5mm，L7＝21.5mm，L8＝2.5mm，L9＝6.5mm，L10＝49.5mm，L11＝7mm，L12＝96mm)。
在高功率条件下，整个内馈入式输入腔部分会产生强电场，这一强电场极易导致器件材料表面发生射频击穿；为避免器件材料表面射频击穿，本发明所提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔对注入区、弯曲波导区和输入腔间隙区的所有尖点采用倒角设计；本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔的倒角区域放大结构如图4所示，按倒角位置可分为注入波导倒角区域301、弯曲波导倒角一区域302、弯曲波导倒角二区域303、弯曲波导倒角三区域304和输入腔间隙倒角区域305。本实施例中所述注入波导倒角区域301尖点处的倒角半径大小为3mm，所述弯曲波导倒角一区域302尖点处的倒角半径大小为3mm，所述弯曲波导倒角二区域303尖点处的倒角半径大小为5mm，所述弯曲波导倒角三区域304尖点处的倒角半径大小为2mm，所述输入腔间隙倒角区域305尖点处的倒角半径大小为2mm；
图6为本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔优选实施例在注入微波能量时输入腔功率随时间的变化情况示意图，注入微波功率为5kW，由图易知，采用内馈入式输入腔结构后，输入腔的吸收效率仍然能保证在95％以上，满足RKA器件的设计要求。
图7为采用一段螺线管产生的磁场位型和两段螺线管产生的磁场位型对比示意图，由图可知，相比于两段螺线管线圈，采用一端螺线管线圈，其产生的导引磁场更加均匀，更有利于提高电子束的传输品质，保证电子束与微波良好的束波相互作用，提高器件效率；
图8为RKA器件工作在大过模比情况下时分别采用外馈入式输入腔结构和内馈入式输入腔结构时的输入腔间隙处电场分布示意图，由图易知，当采用外馈入式输入腔结构时，在输入腔间隙处激励起了TM11模式，为高阶非旋转对称模式，而采用本发明的内馈入输入腔结构时，输入腔间隙处的电场为纯净的TM01模式，可见采用内馈入式输入腔结构能有效抑制非旋转对称模式的激励。
由上述结果可知，本发明提供的一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，在保证输入腔高吸收率的基础上解决现有外馈入式输入腔分断导引磁场、大过模比情况下易激励非旋转对称模式两大难题，对类似的相对论速调管放大器所需的输入腔设计具有重要借鉴意义。
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 (4)

1.一种同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，其特征在于：包括外导体(201)、第一内导体(202a)、第二内导体(202b)、注入圆波导(203)、弯曲波导(204)、输入腔间隙(205)、左端漂移管(206a)、右端漂移管(206b)和支撑杆(207)组成，整个结构关于中心轴线旋转对称；
所述阳极外筒(201)由内半径为R2、轴向长度为L1和内半径为R3、轴向长度为L12的两个圆柱筒组成，满足R2>R3，L1的取值为60mm-90mm，L12的取值为工作波长λ的3.8-4倍；第一内导体(202a)和第二内导体(202b)分别由一个实心异形圆柱体和一个空心异形圆柱筒组成，圆柱体和圆柱筒相互嵌套：第一内导体(202a)为一半径为R4、轴向长度为L2的实心圆柱体，满足R4<R1，L2的取值为工作波长λ的1.8-2.2倍，在其右侧挖出一个横截面为倒卧的“山”字结构，其中“山”字底下一横的轴向长度为L3，“山”字边上两竖的轴向长度均为L4，内半径为R5，满足R5<R4，L3的取值为工作波长λ的0.5-0.8倍，L4的取值为工作波长λ的0.8-1倍，“山”字中间一竖坐落在一个半径为R6，轴向长度为L5的平台上，满足R6<R5，L5的取值为工作波长λ的0.2-0.4倍，中间一竖的半径为R7，轴向长度为L6，满足R7<R6，L6的取值为工作波长λ的0.8-1.2倍；第二内导体(202b)为一外半径为R4、内半径为R8的空心圆柱筒，满足R7<R8<R6，且0.05λ<R8-R7<0.2λ，在圆柱筒的左侧外部挖出一个轴向长度为L7，内半径为R6，外半径为R4的圆环，L7的取值为工作波长λ的0.8-1倍，这样第二内导体(202b)左侧剩余的部分就伸入第一内导体(202a)右侧的异形空腔形成嵌套，两者之间的轴向距离为L8，L8的取值为工作波长λ的0.05-0.2倍，第一内导体(202a)与第二内导体(202b)之间的空腔形成弯曲波导(204)；注入圆波导(203)为第二内导体(202b)中半径为R8的圆柱形空腔，用于传输TM01模式的注入微波，注入圆波导(203)左端连接弯曲波导(204)；输入腔间隙(205)为阳极外筒(201)上正对弯曲波导(204)输出口的轴向长度为L9、外半径为R9的圆环状凹槽，满足R3<R9<R2，L9的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍；弯曲波导(204)用于进行注入微波的模式转换，在注入圆波导(203)中，注入微波为TM01模式，进入弯曲波导(204)中转换为同轴TEM模式，再从弯曲波导(204)进入输入腔间隙(205)中转换为TM01模式作为工作模式；左端漂移管(206a)和右端漂移管(206b)为阳极外筒(201)与第一内导体(202a)和第二内导体(202b)之间的圆环形空腔，分别位于输入腔间隙(205)的左端和右端，左端漂移管(206a)的长度为L3+L4，右端漂移管(206b)的长度为L10，L10的取值为工作波长λ的1.8-2.2倍，右端漂移管(206b)连接相对论速调管放大器的群聚腔；左端漂移管(206a)和右端漂移管(206b)用于将电子束的速度调制转化为密度调制以及对器件工作模式截止，防止微波泄露到其他腔体之中；为保证一定的功率容量和对工作模式的截止，左端漂移管(206a)和右端漂移管(206b)应有一定的宽度，即满足0.4λ<R3-R4<0.5λ；支撑杆(207)有两排，用于支撑第一内导体(202a)，两排支撑杆的距离为L11，L11的取值为工作波长λ的0.2-0.3倍；第二内导体202b由位于相对论速调管放大器微波输出波导位置的支撑杆进行支撑。
2.一种根据权利要求1所述同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，其特征在于：所述阳极外筒(201)采用无磁不锈钢材料制成。
3.一种根据权利要求1所述同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，其特征在于：第一内导体(202a)和第二内导体(202b)均采用无磁不锈钢材料制成。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述同轴相对论速调管放大器内馈入式输入腔，其特征在于：所述中心频率为12.25GHz，对应工作波长λ＝24.5mm的同轴相对论速调管放大器的内馈入式输入腔相应的尺寸设计为：R1＝30mm，R2＝45mm，R3＝35mm，R4＝25mm，R5＝21.5mm，R6＝17.5mm，R7＝7.5mm，R8＝10mm，R9＝38.5mm，L1＝80mm，L2＝47mm，L3＝16mm，L4＝24mm，L5＝6.5mm，L6＝24.5mm，L7＝21.5mm，L8＝2.5mm，L9＝6.5mm，L10＝49.5mm，L11＝7mm，L12＝96mm。
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阳福香，等: "Ku 波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计", 《强激光与粒子束》 *

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