CN115241719A

CN115241719A - 一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器

Info

Publication number: CN115241719A
Application number: CN202210874282.2A
Authority: CN
Inventors: 葛行军; 邓如金; 池航; 党方超; 胡晓东; 张鹏; 李嵩; 贺军涛
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-07-21
Also published as: CN115241719B

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器。对不同螺线管磁场通电，改变导引磁场的位型，使得电子束分别进入内外电磁结构；电子束在内电磁结构内和C波段慢波结构或X波段慢波结构发生束‑波作用，在外电磁结构内和Ku波段慢波结构或Ka波段慢波而机构发生束‑波作用；再基于回旋共振效应改变导引磁场强度，使电子束只和内或外电磁结构中一个慢波结构发生束‑波作用，和另一个慢波结构的束‑波作用被抑制，即可通过改变磁场的位型和强度实现跨C、X、Ku、Ka波段频率调节。该技术方案可以推广到其它波段，实现更大间隔的跨多个波段频率调节。

Description

一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器(Relativistic Cerenkov Oscillator，RCO)。

背景技术

高功率微波(High-Power Microwave，HPM)通常的定义是频率在0.1-100GHz内，峰值功率大于100MW的电磁波。HPM源是指HPM系统中将强流相对论电子束能量转换为微波场能的器件，通常为电真空器件。自上世纪七十年代第一台HPM源产生以来，由于其重要的军事和民用需求，HPM源技术迅速发展。

频率可调是HPM重要发展方向之一，在工业和国防领域具有重要的应用价值。目前HPM 源的频率调节分为机械调谐和电调谐：机械调谐是指改变HPM的电动力学结构，进而改变器件的电磁边界条件，从而实现微波的频率调节；电调谐是指改变HPM系统的电参数，如电压、电流、导引磁场等，实现微波的频率调节。RCO是一种基于切伦科夫辐射产生微波的HPM 发生器，是目前最具潜力的调频器件之一，其物理机制为利用强流相对论电子束与慢波结构中的电磁波相互作用，产生自激振荡，形成相干微波辐射，该类器件具有高效率、高功率、长脉冲和重频运行等优点，受到广泛关注，当慢波结构中的电磁波是返波，该类RCO被称为相对论返波振荡器(Relativistic Backward Wave Osillator，RBWO)。

频率调谐RCO研究方面，国内外主要有以下研究机构开展了RCO调频方面的相关工作：

1997年，美国新墨西哥州大学的Edl Schamiloglu等人研制了一种X波段机械调频RBWO 【E.Schamiloglu,C.T.Abdallah,G.T.Park,and V.S.Souvalian.Implementation ofa Frequency- agile,High Power Backward Wave Osillator[C].Proc.IEEE,1997:742.】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。为了叙述的方便，将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、漂移段、空心慢波结构、反射段、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，外半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。截止颈与空心慢波结构之间是漂移段，是一个内半径为R₄，长度为L₂的圆柱形结构。空心慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧八个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最小内半径R₁₃满足R₄＞R₁₃＞R₅。九个慢波叶片的长度相同，均为L₁，约为工作波长λ的二分之一。反射段介于空心慢波结构与微波输出口之间，是一个半径为R₄、长度为L₅的圆柱形结构。微波输出口呈圆台形，圆台左端面半径为R₄，右端面半径为R₆。在该器件运行中，阴极产生的相对论电子束与空心慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。实验中，通过调节截止颈到空心慢波结构的距离L₂、空心慢波结构到反射段的距离L₅，得到了半功率点处频率调谐带宽约5％、中心频率9.5GHz的结果。该方案通过同时调节漂移段的长度L₂、反射段的长度L₅实现对工作频率调节，空心慢波结构等部件需要配合沿轴向前后移动，调节方式复杂；只在X波段一个波段(对应一个工作模式) 实现调谐带宽约5％的频率调节，无法实现跨波段调节，调节范围较窄。

2016年，国防科技大学葛行军等人申请的发明专利“一种X、Ku波段可调高功率微波源” (ZL 201610033561.0)。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，外半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。慢波结构由九个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，矩形结构的长度L₁约为工作波长λ的二分之一。截止颈、前置反射腔和慢波结构从阳极外筒的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒的内壁，依次嵌入阳极外筒并固定。内导体是一个半径为R₃的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。内导体长度L₆的变化对工作频率会产生影响，通过调节L₆，可以实现输出微波频率跨X、Ku波段可调，并且在每个波段内还有一定的调节带宽。收集极为圆柱状，左端面距离最后一个慢波叶片的距离为L₇。在左端面挖有“L”形凹槽，“L”形凹槽的半径R₁₀、R₁₁、R₁₄根据阴极的内半径R₁和磁场位形来选取，满足R₁₄＞R₁₀＞R₁＞R₁₁，“L”形凹槽的两段长度L₈、L₉均约等于工作波长λ。在左端面的中心部分车出外半径为R₃的内螺纹，与内导体右端的的外螺纹相连。收集极与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。收集极通过支撑杆固定在所述阳极外筒的内壁上。支撑杆共有两排，第一排支撑杆位于距离收集极左端面距离为L₁₀的位置；第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L₁₁约为工作波长的四分之一。仿真中：当内导体长度L₆在0-8.4cm范围内改变时，微波频率在10.55-10.64GHz(X波段)范围内可调，3dB调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW；内导体长度L₆在8.5-11.7cm范围内改变时，微波频率在12.41-12.62GHz(Ku波段)范围内可调，3dB 调谐带宽约1％，输出微波功率的最大值大于2GW。该方案通过调节内导体长度L₆实现了跨 X、Ku波段调频，但由于两个波段共用同一个慢波结构，区别只在于有无内导体，因此频率依赖关系明显，两个波段之间的频率间隔较小，无法实现跨波段大间隔频率可调。因此，该方案通常应用在频率间隔较小的相邻波段。

2018年，国防科技大学葛行军等人申请的发明专利“一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器”(ZL 201811057701.3)。(下文简称为现有技术3，如图3所示)。该结构由内外两套电磁结构组成，外部电磁结构包括外阴极座、外阴极、阳极外筒、外截止颈、第一外慢波结构、第二外慢波结构、隔离段、内导体、外调制腔、提取腔、外锥形波导、外微波输出口、第一支撑杆、第二支撑杆、螺线管磁场组成；内部电磁结构包括内阴极座、内阴极、阳极内筒、内截止颈、前置反射腔、第一内慢波结构、第二内慢波结构、内调制腔、内锥形波导、内微波输出口组成。整个结构关于中心轴线旋转对称。外阴极是一个薄壁圆筒，套在外阴极座右端，壁厚仅为0.1mm，半径R₁等于外电子束的半径。外截止颈呈圆盘状，其内半径 R₂＞R₁，外慢波结构包括第一外慢波结构、第二外慢波结构，由8个相同的慢波叶片组成，第一外慢波结构由3个慢波叶片组成，第二外慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R₄，内半径为R₅，满足R₄＞R₅＞R₁。慢波叶片长度L₁一般取值为工作波长λ₁的0.2-0.4倍。外调制腔为圆盘状，在第一外慢波结构、第二外慢波结构之间，半径R₁₄大于慢波结构慢波叶片外半径R₄，宽度L₉为工作波长λ₁的0.9-1.3倍。提取腔为圆盘状，在第二外慢波结构之后，提取腔的内半径R₁₇和外半径R₈满足R₈＞R₁₄＞R₅，长度L₄一般取值为工作波长λ₁的0.3-0.5倍。外锥形波导的左侧内半径为R₁₇，右侧内半径为R₆，长度为L₁₂，L₁₂一般取值为工作波长λ₁的1.5-2.5倍，接在提取腔之后。隔离段为外半径为R₁₆，内半径为R₁₅，长度L₁₄的圆盘。内导体是外半径为R₃的圆筒，左端与外截止颈的右端平齐，通过螺纹与隔离段相连，右端通过第一支撑杆和第二支撑杆固定在阳极外筒的内壁上。内导体与阳极外筒之间围成的圆环空间为外微波输出口。第一支撑杆位于与锥形波导右侧端点距离为L₁₃的位置处，L₁₃为工作波长λ₁的1至2倍。第二支撑杆与第一支撑杆之间的距离为L₁₁， L₁₁为工作波长λ₁的0.1至0.3倍。内阴极是一个0.1mm厚的薄壁圆筒，套在内阴极座右端，半径R₁’等于内电子束的半径。内截止颈呈圆盘状，内截止颈内半径R₂’＞R₁’。前置反射腔呈圆盘状，内半径等于截止颈内半径R₂’，外半径R₇满足R₇＞R₂'，宽L₃为工作波长λ₂的0.4至 0.6倍。内慢波结构包括第一内慢波结构和第二内慢波结构，由14个相同的慢波叶片组成，第一段内慢波结构由5个慢波叶片组成，第二段内慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是矩形结构，外半径为R₄’，内半径为R₅’，满足R₄’＞R₅’＞R₁’，慢波叶片长度L₁’一般取值为工作波长λ₁的0.3-0.4倍。在第一内慢波结构405b1、第二内慢波结构之间设置有1个形状为圆盘状的内调制腔，其半径R₁₄’大于内慢波结构慢波叶片外半径R₄’，宽度L₉’为工作波长λ₂的1至2倍。第二内慢波结构后接内锥形波导，内锥形波导的左侧内半径为 R₁₇’，右侧内半径为R₆’，长度为L₁₂’，L₁₂’一般取值为工作波长λ₂的5-6倍。阳极内筒与内导体之间围成的圆环空间为内微波输出口。调节外阴极长度，使外阴极右端至外截止颈左端的距离在2cm～3cm范围，发射强流相对论电子束，在磁场的导引下向同轴慢波作用区传输，在同轴慢波作用区内，电子束与同轴准TEM模式发生束-波作用，把能量交给微波场，激励起 X波段的高功率微波振荡；调节内阴极长度，使内阴极右端至内截止颈左端的距离在1cm～2cm 范围，发射强流相对论电子束；电子束在磁场的导引下向空心慢波作用区传输；在空心慢波作用区内，电子束与空心TM₀₁模式发生束-波作用，把能量交给微波场，激励起Ka波段的高功率微波振荡。该方案仅调节内外阴极的长度，可以实现跨X、Ka两个波段微波输出，但是跨波段数量少，仅能实现双波段微波输出。

分析上述研究现状不难看出，尽管频率调谐RCO的研究取得了较大进展，但通常仅能实现双波段调节，存在跨波段数量少的问题。当应用场景变复杂，目前跨双波段RCO难以满足实际应用需求，亟需研究一种跨波段数量多(4个波段)的RCO，其技术方案尚未有公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，克服通常调频器件的输出微波波段数量少的难题，通过电磁结构的合理设计，通过改变导引磁场位型和磁场强度，实现跨C、X、Ku、Ka四波段调频(调节范围宽、波段数量多)。

本发明的技术方案是：

一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，由阴极结构、外电磁结构和内电磁结构组成，阴极结构包括阴极座401、阴极402；外电磁结构包括阳极外筒403、内导体404、外过渡腔405a、外第一漂移管406a、外谐振反射腔407a、外第二漂移管408a、Ku波段慢波结构409a、Ka波段慢波结构410a、外连接段411a、外微波输出口412a、第一支撑杆413a1、第二支撑杆413a2、第一螺线管磁场414、第二螺线管磁场415、第三螺线管磁场416；内电磁结构包括内第一漂移管406b、内谐振反射腔407b、内第二漂移管408b、C波段慢波结构 409b、X波段慢波结构410b、内连接段411b、内微波输出口412b；整个结构关于中心轴线旋转对称。

阴极402是一个薄壁圆筒，套在阴极座401右端，壁厚仅为0.1mm，半径等于内电子束的半径R₁。阳极外筒403的内表面具有不规则波纹，内导体404的内外表面均有不规则波纹，阳极外筒403的内表面和内导体404的外表面共同构成外电磁结构，内导体的内表面构成内电磁结构。

外过渡腔405a是一个横截面为直角梯形的圆环形空腔，上底边的内外半径分别为R₂和 R₃，下底边的内外半径分别为R₄和R₃，满足R₃＞R₂＞R₄＞R₁；高为L₁，L₁一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的2-3倍。外第一漂移管406a是一个内外半径分别为R₂和R₃的圆环形空腔，长度为L₂，L₂一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-2倍。外谐振反射腔407a由两对关于外电子束对称的圆环形空腔组成，第一对圆环形空腔中位于阳极外筒403上的圆环形空腔的内外半径分别为R₃和R₅，R₅＞R₃；长度为L₃，L₃一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.3-0.6倍；位于内导体404上的圆环形空腔的内外半径分别为R₆和R₂，R₂＞R₆；第二对圆环形空腔中位于阳极外筒403上的圆环形空腔的内外半径分别为R₃和R₇，R₇＞R₅，长度为L₄，L₄一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.5-0.8倍；位于内导体404上的圆环形空腔的内外半径分别为R₈和R₂，R₆＞R₈；两对圆环形空腔之间的距离为L₅，L₅一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.3-0.5倍。外第二漂移管408a是一个内外半径分别为R₂和R₃的圆环形空腔，长度为L₆， L₆一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.4-0.6倍。Ku波段慢波结构409a由八个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R₉，凸起部分的半径为R₃，R₅＞R₉；凹陷部分的长为L₇，L₇一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.2-0.3 倍；凸起部分的长为L₈，L₈一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.1-0.25倍。Ka波段慢波结构410a由十个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R₁₀，凸起部分的半径为R₃，R₉＞R₁₀；凹陷部分的长为L₉，L₉一般取值为Ka波段工作波长λ_Ka的0.2-0.3倍；凸起部分的长为L₁₀，L₁₀一般取值为Ka波段工作波长λ_Ka的0.1- 0.25倍。在Ku波段慢波结构409a和Ka波段慢波结构410a之间设置有一个圆环状的外连接段411a，外连接段411a的内半径R₁₁满足R₁₀＞R₁₁；长为L₁₁，L₁₁一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-1.3倍。在Ka波段慢波结构410a之后是外微波输出口412a，外微波输出口412a 是一个内外半径分别为R₂和R₁₂的圆环形空腔，由阳极外筒403和内导体404围成，R₅＞R₁₂。第一支撑杆413a1和第二支撑杆413a2用于将内导体404支撑起来，使其轴向位于阳极外筒 403轴向正中心，第一支撑杆413a1与Ka波段慢波结构的距离为L₁₂，L₁₂一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的5-6倍；第二支撑杆413a2与第一支撑杆413a1之间的距离为L₁₃，L₁₃一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-2倍。外微波输出口412a的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。第一螺线管磁场414、第二螺线管磁场415、第三螺线管磁场416依次套在阳极外筒403的外壁上，可对不同螺线管磁场通电改变磁场位型，使电子束分别传输至内外电磁结构。

内第一漂移管406b是一个在内导体404前端挖出的一个半径为R₁’的圆柱形空腔(实际上内电磁结构均基于此空腔进行描述)，长为L’₁，L’₁一般取值为C波段工作波长λ_C的0.6-0.8 倍。内谐振反射腔407b是一个内半径为R₁’、外半径为R₂’的圆环形空腔，R₂’＞R₁’；长为L’₂， L’₂一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.5倍。内第二漂移管408b是一个半径为R₁’的圆柱形空腔，长为L’₃，L’₃一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.4倍。C波段慢波结构409b由四个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为 R₃’，凸起部分的半径为R₁’，R₂’＞R₃’；凹陷部分的长为L’₄，L’₄一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.3倍；凸起部分的长为L’₅，L’₅一般取值为C波段工作波长λ_C的0.1-0.25倍。X波段慢波结构410b由八个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R₄’，凸起部分的半径为R₁’，R₃’＞R₄’；凹陷部分的长为L’₆，L’₆一般取值为X波段工作波长λ_X的0.15-0.25倍；凸起部分的长为L’₇，L’₇一般取值为X波段工作波长λ_X的0.1-0.2倍。在C波段慢波结构409b和X波段慢波结构410b之间设置有一个圆环状的内连接段411b，内连接段411b的内半径R₅’满足R₄’＞R₅’；长为L’₈，L’₈一般取值为C波段工作波长λ_C的0.4-0.6倍。在X波段慢波结构410b之后是内微波输出口412b，内微波输出口412b 是一个半径为R₆’的圆柱形空腔，R₂’＞R₆’；内微波输出口412b的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计可得，由于是通用方法，不存在技术秘密。

本发明还提供一种基于上述装置的跨四波段磁场调谐方法，对不同螺线管磁场通电，改变导引磁场的位型，使得电子束分别进入内外电磁结构；电子束在内电磁结构内和C波段慢波结构或X波段慢波结构发生束-波作用，在外电磁结构内和Ku波段慢波结构或Ka波段慢波而机构发生束-波作用；再基于回旋共振效应改变导引磁场强度，使电子束只和内或外电磁结构中一个慢波结构发生束-波作用，和另一个慢波结构的束-波作用被抑制，即可通过改变磁场的位型和强度实现跨C、X、Ku、Ka波段频率调节，具体步骤如下：

S1 C、X波段微波产生：阴极在高电压作用下发生爆炸发射，同时第二螺线管磁场415 通电产生轴向均匀磁场，产生的电子束延轴向向C、X波段慢波结构区域传输；在慢波结构区域，电子束和空心TM₀₁模发生束-波作用，把能量交给微波场，从而产生HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为1.5T时，电子束和X波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与C 波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生C波段HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为0.7T 时，电子束和C波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与X波段慢波结构发生切伦科夫辐射，从而产生X波段HPM；

S2 Ku、Ka波段微波产生：阴极在高电压作用下发生爆炸发射，第一螺线管磁场414和第三螺线管磁场416通电产生径向弯曲的磁场，改变外加导引磁场的磁场位型，使电子束传输向径向偏移，进入外电磁结构的Ku、Ka波段慢波结构区域传输；在慢波结构区域，电子束和同轴TM₀₁模发生束-波作用，把能量交给微波场，产生HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为4.5T时，电子束和Ka波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与Ku波段慢波结构发生切伦科夫辐射，从而产生Ku波段HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为1.9T时，电子束和Ku波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与Ka波段慢波结构发生切伦科夫辐射，从而产生Ka波段HPM。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

1、本发明提供的基于改变导引磁场位型和磁场强度的跨四波段RCO，在内电磁结构工作时，调节磁场强度，使器件分别工作在C波段慢波结构的空心TM₀₁模的π模(对应电场分布见图7)和X波段慢波结构的空心TM₀₁模的π模(对应电场分布见图8)状态，实现微波频率在C、X波段之间可调；改变磁场位型使得电子束进入外电磁结构发生束-波作用，并调节磁场强度，使器件分别工作在Ku波段慢波结构的同轴TM₀₁模的π模(对应电场分布见图9)和Ka波段慢波结构的同轴TM₀₁模的π模(对应电场分布见图10)状态，实现微波频率在Ku、Ka波段之间可调。该技术方案可以推广到其它波段，实现更大间隔的跨多个波段频率调节。

2、本发明提供的跨四波段波段RCO，通过改变导引磁场的位型和强度，既可分别实现跨 C、X、Ku、Ka波段微波输出，在单个HPM器件内即可实现跨四个波段的输出微波，增大单个调频器件微波波段数量，极大拓宽器件的应用场景。

3、本发明提供的跨四波段波段RCO采用外反射腔407a和内反射腔406b实现内外电磁结构的隔离。所述外反射腔407a可以同时反射Ku波段和Ka波段微波，内反射腔406b可以同时反射C波段和X波段微波，有效避免器件内外电磁结构的干扰。

具体请参考根据本发明的基于磁场调谐和伸缩内外阴极的跨四波段RCO提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其它方面显而易见。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的X波段机械调频RBWO的结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的一种X、Ku波段可调高功率微波源的结构示意图；

图3为背景介绍中现有技术3公开的一种跨X、Ka波段频率可调相对论返波振荡器的结构示意图；

图4为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 A-A剖视图；

图5为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 A-A剖视立体示意图；

图6为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 C波段慢波结构TM₀₁模的π模的电场分布图(对应C波段)；

图7为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 X波段慢波结构TM₀₁模的π模的电场分布图(对应X波段)；

图8为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 Ku波段慢波结构与内导体组成的同轴慢波结构准TEM模的π模的电场分布图(对应Ku波段)；

图9为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的 Ka波段慢波结构与内导体组成的同轴慢波结构准TEM模的π模的电场分布图(对应Ka波段)；

图10为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的C波段微波随时间的变化趋势；

图11为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的X波段微波随时间的变化趋势；

图12为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的Ku波段微波随时间的变化趋势；

图13为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的Ka波段微波随时间的变化趋势；

图14为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的内反射腔对C、X波段微波的反射系数；

图15为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的内反射腔对Ku、Ka波段微波的反射系数；

图16为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的内连接段长度对输出微波束-波作用效率的影响结果示意图。

图17为本发明提供的一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器优选实施例的外连接段长度对输出微波束-波作用效率的影响结果示意图。

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。

本发明由阴极结构、外电磁结构和内电磁结构组成，阴极结构包括阴极座401、阴极402；外电磁结构包括阳极外筒403、内导体404、外过渡腔405a、外第一漂移管406a、外谐振反射腔407a、外第二漂移管408a、Ku波段慢波结构409a、Ka波段慢波结构410a、外连接段411a、外微波输出口412a、第一支撑杆413a1、第二支撑杆413a2、第一螺线管磁场414、第二螺线管磁场415、第三螺线管磁场416；内电磁结构包括内第一漂移管406b、内谐振反射腔407b、内第二漂移管408b、C波段慢波结构409b、X波段慢波结构410b、内连接段411b、内微波输出口412b；整个结构关于中心轴线旋转对称。

阴极座401、阳极外筒403、内导体404通常采用无磁不锈钢材料，Ku波段慢波结构409a、 Ka波段慢波结构410a、外连接段411a、第一支撑杆413a1、第二支撑杆413a2、C波段慢波结构409b、X波段慢波结构410b、内连接段411b通常采用无磁不锈钢、无氧铜或钛等材料，阴极402可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料，第一螺线管磁场414、第二螺线管磁场415、第三螺线管磁场416采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。阴极座401左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒403左端外接脉冲功率驱动源的外导体。

本发明运行时，给第二螺线管磁场415通电，产生的磁场线延轴向伸展，阴极发射的电子束传输至内电磁结构，由于回旋共振吸收效应，改变导引磁场强度为1.5T时，电子束和X 波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与C波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生C波段 HPM；由于回旋共振吸收效应，改变导引磁场强度为0.7T时，电子束和C波段慢波结构的束 -波作用被抑制，只能与X波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生X波段HPM。给第一螺线管磁场414、第三螺线管磁场416通电，产生的磁场线向径向弯曲后再延轴向伸展，阴极发射的电子束传输至外电磁结构，改变导引磁场强度为4.5T时，由于回旋共振吸收效应，电子束和Ka波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与Ku波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生Ku波段HPM；改变导引磁场强度为0.7T时，由于回旋共振吸收效应，电子束和Ku波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与Ka波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生Ka波段HPM。

本方案实现了跨C(中心频率为4.2GHz，对应微波波长λ_C＝7.14cm)、X(中心频率为8.4GHz，对应微波波长λ_X＝3.57cm)、Ku(中心频率为14.1GHz，对应微波波长λ_Ku＝2.12cm)、Ka(中心频率为28.2GHz，对应微波波长λ_Ka＝1.06cm)频率可调RCO(相应的尺寸设计为： R₁＝31mm，R₂＝54.5mm，R₃＝69mm，R₄＝38.5mm，R₅＝74.5mm，R₆＝52mm，R₇＝77mm，R₈＝51mm，R₉＝74mm，R₁₀＝72.5mm，R₁₁＝70mm，R₁₂＝74mm，L₁＝48mm，L₂＝32mm，L₃＝8.5mm， L₄＝12mm，L₅＝6.5mm，L₆＝10.5mm，L₇＝5mm，L₈＝4mm，L₉＝3mm，L₁₀＝2.5mm，L₁₁＝25mm， L₁₂＝115mm，L₁₃＝28mm；R’₁＝36mm，R’₂＝50.5mm，R’₃＝46.5mm，R’₄＝41mm，R’₅＝39mm，R’₆＝50mm，L’₁＝51mm，L’₂＝23.5mm，L’₃＝21mm，L’₄＝17mm，L’₅＝16mm，L’₆＝6.5mm，L’₇＝6mm， L’₈＝33mm)。

粒子模拟中，当外电磁结构工作，在二极管电压440kV、电流5.1kA时，通过调节导引磁场为4.5T，Ku波段输出微波功率670MW，束-波作用效率32％；通过调节导引磁场为1.9T， Ka波段输出微波功率540MW，束-波作用效率26％。当内电磁结构工作，在二极管电压670kV、电流7.5kA时，通过调节导引磁场为1.5T，C波段输出微波功率1.6GW，束-波作用效率32％；通过调节导引磁场为0.7T，X波段输出微波功率1.8GW，束-波作用效率36％。由上述结果可知，本发明克服了通常频率调谐RCO跨波段数量少的难题，仅通过改变外加导引磁场的位型和强度，即可在单个器件内实现跨C、X、Ku、Ka四个波段微波输出，对于设计多波段调频器件具有重要的借鉴意义。

参见图7，可知C波段慢波结构409b能激励起中心频率4.2GHz(属于C波段)的TM₀₁模式π模的电场分布。

参见图8，可知X波段慢波结构410b能激励起中心频率8.4GHz(属于X波段)的TM₀₁模式π模的电场分布。

参见图9，可知Ku波段慢波结构409a能激励起中心频率14.1GHz(属于Ku波段)的准TEM模的π模的电场分布。

参见图10，可知Ka波段慢波结构410a能激励起中心频率28.2GHz(属于Ka波段)的准TEM模的π模的电场分布。

参见图11，可知激励起C波段的高功率微波振荡，微波10ns起振，24ns后饱和，饱和后微波功率1.6GW。

参见图12，可知激励起X波段的高功率微波振荡，微波10ns起振，25ns后饱和，饱和后微波功率1.8GW。

参见图13，可知激励起Ku波段的高功率微波振荡，微波10ns起振，22ns后饱和，饱和后微波功率670MW。

参见图14，可知激励起Ka波段的高功率微波振荡，微波10ns起振，23ns后饱和，饱和后微波功率540MW。

参见图15，可知内谐振反射腔407b对C、X波段微波具有较好的反射效果，当内电磁结构工作时，可以有效隔离内外电磁结构，保证器件正常工作。

参见图16，可知外谐振反射腔407a对Ku、Ka波段微波具有较好的反射效果，当外电磁结构工作时，可以有效隔离内外电磁结构，保证器件正常工作。

参见图17，可知内连接段411b长度对输出微波束-波作用效率存在影响，长度为3.1-3.7cm 时，C(1.5T磁场下)、X(0.7T磁场下)波段有较高效率的微波输出，且当漂移段长度为3.4cm 时，两波段均达到最高束-波作用效率。

当然，在本优选实施例中，各部件之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，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

1.一种基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述振荡器由阴极结构、外电磁结构和内电磁结构组成，阴极结构包括阴极座(401)、阴极(402)；外电磁结构包括阳极外筒(403)、内导体(404)、外过渡腔(405a)、外第一漂移管(406a)、外谐振反射腔(407a)、外第二漂移管(408a)、Ku波段慢波结构(409a)、Ka波段慢波结构(410a)、外连接段(411a)、外微波输出口(412a)、第一支撑杆(413a1)、第二支撑杆(413a2)、第一螺线管磁场(414)、第二螺线管磁场(415)、第三螺线管磁场(416)；内电磁结构包括内第一漂移管(406b)、内谐振反射腔(407b)、内第二漂移管(408b)、C波段慢波结构(409b)、X波段慢波结构(410b)、内连接段(411b)、内微波输出口(412b)；整个结构关于中心轴线旋转对称；

阴极(402)是一个薄壁圆筒，套在阴极座(401)右端，半径等于内电子束的半径R₁；阳极外筒(403)的内表面具有不规则波纹，内导体(404)的内外表面均有不规则波纹，阳极外筒(403)的内表面和内导体(404)的外表面共同构成外电磁结构，内导体的内表面构成内电磁结构；

外过渡腔(405a)是一个横截面为直角梯形的圆环形空腔，上底边的内外半径分别为R₂和R₃，下底边的内外半径分别为R₄和R₃，满足R₃＞R₂＞R₄＞R₁；高为L₁，L₁一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的2-3倍；外第一漂移管(406a)是一个内外半径分别为R₂和R₃的圆环形空腔，长度为L₂，L₂一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-2倍；外谐振反射腔(407a)由两对关于外电子束对称的圆环形空腔组成，第一对圆环形空腔中位于阳极外筒(403)上的圆环形空腔的内外半径分别为R₃和R₅，R₅＞R₃；长度为L₃，L₃一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.3-0.6倍；位于内导体(404)上的圆环形空腔的内外半径分别为R₆和R₂，R₂＞R₆；第二对圆环形空腔中位于阳极外筒(403)上的圆环形空腔的内外半径分别为R₃和R₇，R₇＞R₅，长度为L₄，L₄一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.5-0.8倍；位于内导体(404)上的圆环形空腔的内外半径分别为R₈和R₂，R₆＞R₈；两对圆环形空腔之间的距离为L₅，L₅一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.3-0.5倍；外第二漂移管(408a)是一个内外半径分别为R₂和R₃的圆环形空腔，长度为L₆，L₆一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.4-0.6倍；Ku波段慢波结构(409a)由八个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R₉，凸起部分的半径为R₃，R₅＞R₉；凹陷部分的长为L₇，L₇一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.2-0.3倍；凸起部分的长为L₈，L₈一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的0.1-0.25倍；Ka波段慢波结构(410a)由十个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R₁₀，凸起部分的半径为R₃，R₉＞R₁₀；凹陷部分的长为L₉，L₉一般取值为Ka波段工作波长λ_Ka的0.2-0.3倍；凸起部分的长为L₁₀，L₁₀一般取值为Ka波段工作波长λ_Ka的0.1-0.25倍；在Ku波段慢波结构409a和Ka波段慢波结构410a之间设置有一个圆环状的外连接段(411a)，外连接段(411a)的内半径R₁₁满足R₁₀＞R₁₁；长为L₁₁，L₁₁一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-1.3倍；在Ka波段慢波结构410a之后是外微波输出口(412a)，外微波输出口(412a)是一个内外半径分别为R₂和R₁₂的圆环形空腔，由阳极外筒(403)和内导体(404)围成，R₅＞R₁₂；第一支撑杆(413a1)和第二支撑杆(413a2)用于将内导体(404)支撑起来，使其轴向位于阳极外筒(403)轴向正中心，第一支撑杆(413a1)与Ka波段慢波结构的距离为L₁₂，L₁₂一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的5-6倍；第二支撑杆(413a2)与第一支撑杆(413a1)之间的距离为L₁₃，L₁₃一般取值为Ku波段工作波长λ_Ku的1-2倍；第一螺线管磁场(414)、第二螺线管磁场(415)、第三螺线管磁场(416)依次套在阳极外筒(403)的外壁上，可对不同螺线管磁场通电改变磁场位型，使电子束分别传输至内外电磁结构；

内第一漂移管(406b)是一个在内导体(404)前端挖出的一个半径为R’₁的圆柱形空腔，长为L’₁，L’₁一般取值为C波段工作波长λ_C的0.6-0.8倍；内谐振反射腔(407b)是一个内半径为R’₁、外半径为R’₂的圆环形空腔，R’₂＞R’₁；长为L’₂，L’₂一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.5倍；内第二漂移管(408b)是一个半径为R’₁的圆柱形空腔，长为L’₃，L’₃一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.4倍；C波段慢波结构(409b)由四个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R’₃，凸起部分的半径为R’₁，R’₂＞R’₃；凹陷部分的长为L’₄，L’₄一般取值为C波段工作波长λ_C的0.2-0.3倍；凸起部分的长为L’₅，L’₅一般取值为C波段工作波长λ_C的0.1-0.25倍；X波段慢波结构(410b)由八个相同的慢波叶片组成，每个慢波叶片的均为一凹一凸的周期性台阶结构，凹陷部分的半径为R’₄，凸起部分的半径为R’₁，R’₃＞R’₄；凹陷部分的长为L’₆，L’₆一般取值为X波段工作波长λ_X的0.15-0.25倍；凸起部分的长为L’₇，L’₇一般取值为X波段工作波长λ_X的0.1-0.2倍；在C波段慢波结构(409b)和X波段慢波结构(410b)之间设置有一个圆环状的内连接段(411b)，内连接段(411b)的内半径R’₅满足R’₄＞R’₅；长为L’₈，L’₈一般取值为C波段工作波长λ_C的0.4-0.6倍；在X波段慢波结构(410b)之后是内微波输出口(412b)，内微波输出口(412b)是一个半径为R’₆的圆柱形空腔，R’₂＞R’₆。

2.一种根据权利要求1所述基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：阴极(302)为一厚度为1mm的薄壁圆筒。

3.一种根据权利要求1所述基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：阴极座(401)、阳极外筒(403)、内导体(404)通常采用无磁不锈钢材料，Ku波段慢波结构(409a)、Ka波段慢波结构(410a)、外连接段(411a)、第一支撑杆(413a1)、第二支撑杆(413a2)、C波段慢波结构(409b)、X波段慢波结构(410b)、内连接段(411b)通常采用无磁不锈钢、无氧铜或钛等材料，阴极(402)可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板材料，第一螺线管磁场(414)、第二螺线管磁场(415)、第三螺线管磁场(416)采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。

4.一种根据权利要求1所述基于磁场调谐的跨四波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述中心频率为4.2GHz，对应微波波长λ_C＝7.14cm、中心频率为8.4GHz，对应微波波长λ_X＝3.57cm、中心频率为14.1GHz，对应微波波长λ_Ku＝2.12cm、中心频率为28.2GHz，对应微波波长λ_Ka＝1.06cm的跨四波段相对论切伦科夫振荡器相应的尺寸设计为：R₁＝31mm，R₂＝54.5mm，R₃＝69mm，R₄＝38.5mm，R₅＝74.5mm，R₆＝52mm，R₇＝77mm，R₈＝51mm，R₉＝74mm，R₁₀＝72.5mm，R₁₁＝70mm，R₁₂＝74mm，L₁＝48mm，L₂＝32mm，L₃＝8.5mm，L₄＝12mm，L₅＝6.5mm，L₆＝10.5mm，L₇＝5mm，L₈＝4mm，L₉＝3mm，L₁₀＝2.5mm，L₁₁＝25mm，L₁₂＝115mm，L₁₃＝28mm；R’₁＝36mm，R’₂＝50.5mm，R’₃＝46.5mm，R’₄＝41mm，R’₅＝39mm，R’₆＝50mm，L’₁＝51mm，L’₂＝23.5mm，L’₃＝21mm，L’₄＝17mm，L’₅＝16mm，L’₆＝6.5mm，L’₇＝6mm，L’₈＝33mm。

5.一种基于权利要求1至4任一项所述装置的跨四波段磁场调谐方法，其特征在于：对不同螺线管磁场通电，改变导引磁场的位型，使得电子束分别进入内外电磁结构；电子束在内电磁结构内和C波段慢波结构或X波段慢波结构发生束-波作用，在外电磁结构内和Ku波段慢波结构或Ka波段慢波而机构发生束-波作用；再基于回旋共振效应改变导引磁场强度，使电子束只和内或外电磁结构中一个慢波结构发生束-波作用，和另一个慢波结构的束-波作用被抑制，即可通过改变磁场的位型和强度实现跨C、X、Ku、Ka波段频率调节，具体步骤如下：

S1 C、X波段微波产生：阴极在高电压作用下发生爆炸发射，同时第二螺线管磁场(415)通电产生轴向均匀磁场，产生的电子束延轴向向C、X波段慢波结构区域传输；在慢波结构区域，电子束和空心TM₀₁模发生束-波作用，把能量交给微波场，从而产生HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为1.5T时，电子束和X波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与C波段慢波结构发生切伦科夫辐射，产生C波段HPM；由于回旋共振吸收效应，当磁场为0.7T时，电子束和C波段慢波结构的束-波作用被抑制，只能与X波段慢波结构发生切伦科夫辐射，从而产生X波段HPM；